【摘 要】本文基于某高速履带车辆改装需要，对其悬架系统扭杆弹簧进行优化设计，并对优化结果进行了虚拟验证，证明了该优化方案是可行的，为高速履带车辆的改装设计提供了新的思路。
【关键词】高速履带车辆；悬架系统；优化设计
1.引言
某高速履带车辆因内部部件进行改装，导致车辆重心位置后移，车体姿态变成前高后低。由于该车辆多在复杂地形进行机动，其悬挂系统动力学特征直接影响着车辆的机动性与乘员的适应性，同时，车辆悬挂动力学特征还对车载武器和设备的性能发挥有着重要的影响。此时希望调整扭杆弹簧的刚度来恢复车辆静平衡时的水平姿态（保持车体水平，车底距地高不变）。通过对改装前模型的验证与修正，在此基础上利用优化技术选择合适的优化方法，找到满足车体姿态条件与行驶平顺性条件的扭杆刚度，是本文研究的主要内容。
2模型组成
本文中运用多体动力学软件ADAMS/ATV履带车辆专用模块建立整车简化模型（图1）。该模型车体每侧由1个诱导轮、5个负重轮、1个主动轮组成。悬挂系统采用扭杆弹簧和叶片式减振器的布置形式，扭杆弹簧初始刚度为490 Nm/deg，减振器阻尼初始值为90 Nms/deg。在该模型中，主动轮、诱导轮、平衡肘与车体之间以及负重轮与平衡肘之间通过转动副连接。
由于限制器与车体无相对运动，建模时可直接建在车体上，与平衡肘用10个接触副连接。缓冲器与车体用移动副连接。平衡肘与车体之间用扭杆弹簧连接，建模时扭杆的作用力通过在转动副上加螺旋弹簧来实现。整车模型共由213个刚体组成，模型中有26个旋转铰、2个圆柱铰、2个球铰和2个移动铰。每个旋转铰和移动铰分别约束系统5个自由度，圆柱铰约束系统4个自由度，球铰约束3个自由度，驱动约束2个。
系统共有约束方程m：m=（26+2）×5+2×4+2×3+2=156
多刚体系统自由度DOF为：DOF=6×n–m=213×6—156=1122
则系统共有自由度1122个。
3.模型的验证
为了验证虚拟样机模型的准确性，在F级路面上，运用该模型以20km/h的速度进行仿真。与在某试验场的F级路面，以20km/h的速度实车试验结果的垂直及水平方向加速度功率谱密度曲线相比较（图2，图3），可见结果具有较好的一致性。
4.优化设计研究
由于悬架系统的扭杆弹簧的刚度及减振器阻尼对整车的静平衡姿态、平顺性及可靠性的影响最大，为此我们考虑把悬架系统10根扭杆弹簧的刚度和阻尼作为设计变量，该车辆采用的扭杆是圆形断面，悬架元件的几何尺寸： d （扭杆弹簧直径，一般取35～45mm） ， R （平衡肘臂长，取250mm）； 另外就是布置关系尺寸H （静载时车底离地高度， 一般取479.7mm）， 它由车辆的通行性能要求确定[1]。
4.1 确定目标函数
本改装方案的要求是改装后的车辆在静平衡状态的时候，车体姿态保持水平，且车底距地高保持不变。故可确定目标函数为车辆在静载状态，车体保持水平。为了便于测量，在车体下部的最前端和最后端设置标记点，当车辆处于静平衡状态的时候使其在y轴方向位移差的最小。即
Marker1车体下装甲板上中心线上最前点， Marker2车体下装甲板上中心线上最后点。
4.2 确定约束条件
本坦克由于内部部件调整而使车辆的重心向后移动，从而使车体姿态变成前高后低，本次调整的目的就是使车辆在静平衡状态车体姿态保持水平、车体距地高保持不变。为保证改装车辆的设计要求对于改装后车辆的悬架系统，限定改装后的车辆的静平衡位置时的车底距地高为0.4797m，故约束条件可以确定为在车体下装甲板纵向中心线上取最前点Marker1和最后点Marker2 取地面上点Marker0，则车体距地高条件为：
4.3 确定设计变量的变化范围
设计变量是待计算确定的变量， 一般是对悬挂系统性能影响较大而又能在一定范围内变动的参数， 而目标函数则是这些变量的函数。影响悬架系统性能的主要参数有扭杆弹簧刚度、安装角和减振器阻尼。由于本次改装的目的是调整优化，要尽可能保持车辆原有部件及安装位置，因此，我们考虑利用车辆原来的减振器，不改变扭杆弹簧原来的初始安装角（如果增大初始安装角，则动行程减小，扭杆弹簧容易损坏），而扭杆弹簧的刚度对悬架系统的性能具有较大的影响，故考虑对该车辆悬架系统布置的10根扭杆弹簧的刚度进行优化。因此，本例中设计变量按照扭杆从前至后的顺序分别依次为k1，k2，k3，k4，k5，且k1=k2，k4=k5其变化范围分别300～680 Nm/deg ，换算成扭杆弹簧直径为35～45mm。
4.4 优化设计方法的选择及优化结果分析
ADAMS/INSIGHT是MSC软件公司的强力试验设计与优化工具。它可以设计复杂的实验来测量机械系统的性能，同时它也提供了强大的实验结果统计分析工具，以便于更好的改进试验系统。本优化应用响应曲试验设计方法，设计类型采用D—Optimal。对悬架系统进行优化，经过优化计算得到满足车辆改装条件的扭杆的刚度值得到扭杆弹簧刚度值k1=k2=406.9 Nm/deg，k3=393.3 Nm/deg，k4=k5=525.8 Nm/deg；.当扭杆弹簧采用上述刚度的时候，车体处于水平姿态，且车底距地高为0.4797m。
5. 结论
通过对依据优化方案建立的虚拟样机模型进行测试，当车辆在F级随机路面上行驶时，此时经过调整的右侧第一平衡肘扭力轴的刚度变小，最大应力发生在时间2.87t，为869MPa，小于1200 MPa的允许值。左侧第五平衡肘的扭力轴的刚度增加，此时的最大应力发生在时间2.01t，最大应力为730 MPa。满足最大应力小于1200 MPa的条件。综合以上分析，根据优化方案改装后的车辆动态应力在允许的范围内，故此种优化方案是可行的。
参考文献：
[1] 王书镇，编《高速履带车辆行驶系》北京工业学院出版社 1986.
[2] 周一鸣，毛恩荣编著《车辆人机工程学》北京理工大学出版社，1999.
