殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

張曉艷，吳帥

(長城汽車股份有限公司，河北保定 071000)

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殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

張曉艷，吳帥

(長城汽車股份有限公司，河北保定 071000)

針對(duì)殘疾人遠(yuǎn)距離出行不便，設(shè)計(jì)了殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)。殘疾人乘坐輪椅通過輪椅舉升裝置進(jìn)入汽車駕駛室，由輪椅代替駕駛座椅，實(shí)現(xiàn)駕車遠(yuǎn)距離出行。為了驗(yàn)證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，建立基于ADAMS的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)輪椅舉升裝置工作過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果表明此系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠?；贠ptiStruct對(duì)主要部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得到了理想的輕量化結(jié)構(gòu)。

輪椅舉升裝置；動(dòng)力學(xué)仿真；拓?fù)鋬?yōu)化

0　引言

殘疾人的數(shù)量在不斷地增長，其中大部分殘疾人的日常出行是依靠輪椅代步完成的，但是輪椅代步只能實(shí)現(xiàn)短距離出行。要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離出行，需要借助可載輪椅的殘疾人車。日本豐田公司于2007年設(shè)計(jì)出可載10人的殘疾人車，這種殘疾人車是通過輪椅升降機(jī)來完成輪椅蹬車動(dòng)作的。美國的Harmar公司也有類似的產(chǎn)品。殘疾人如何借助可載輪椅的殘疾人車進(jìn)行遠(yuǎn)距離出行的問題，需要研究解決。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)，通過動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證其工作的可靠性，并針對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)要求

殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)是一種能夠滿足使用輪椅代步的殘疾人借助可載輪椅的汽車遠(yuǎn)距離出行要求的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求分為以下幾點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)軌跡符合運(yùn)動(dòng)要求；舉升力變化規(guī)律合理；構(gòu)件布置合理，不出現(xiàn)干涉情況；構(gòu)件內(nèi)部的傳動(dòng)力與傳遞的功率要小；在滿足機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，機(jī)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)簡單、合理、可靠。

1.2工作過程

乘車時(shí)，舉升平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到水平地面上，輪椅駛上舉升平臺(tái)，舉升平臺(tái)舉升輪椅與乘客到車廂地板齊平位置，乘客乘坐輪椅進(jìn)入駕駛室，舉升平臺(tái)折翻收回。

1.3整體設(shè)計(jì)方案

對(duì)接系統(tǒng)(見圖1)包括后排可折疊座椅、輪椅舉升裝置、舉升平臺(tái)回位機(jī)構(gòu)、輪椅。輪椅舉升裝置包括底座、下橫臂、上橫臂、舉升臂、舉升平臺(tái)、電動(dòng)推桿。后排可折疊座椅在輪椅進(jìn)入駕駛室時(shí)折疊避讓。輪椅舉升裝置整體安裝在汽車地板上。底座安裝于地板上，下橫臂鉸接安裝在底座下安裝點(diǎn)，上橫臂鉸接安裝在底座上安裝點(diǎn)，下橫臂與上橫臂另一端鉸接安裝在舉升臂上，電動(dòng)推桿鉸接安裝在底座和下橫臂上，舉升平臺(tái)鉸接安裝在舉升臂上。

1.4輪椅舉升裝置的設(shè)計(jì)

輪椅舉升裝置(見圖2)應(yīng)用平行四桿機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取電動(dòng)推桿提供動(dòng)力。整個(gè)工作過程，電動(dòng)推桿推動(dòng)輪椅舉升裝置完成輪椅升降運(yùn)動(dòng)。

1.5舉升平臺(tái)回位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

舉升平臺(tái)回位機(jī)構(gòu)(見圖3)同樣應(yīng)用四桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)折翻回位運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的自由度為1，其運(yùn)動(dòng)軌跡是唯一確定的[4]。

2　三維模型建立

應(yīng)用UG7.0建立三維實(shí)體模型，如圖4所示。

3　基于ADAMS動(dòng)力學(xué)分析

3.1創(chuàng)建多剛體虛擬樣機(jī)模型

(1)建立模型

將應(yīng)用UG7.0建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中，建立多剛體虛擬樣機(jī)模型。電動(dòng)推桿的舉升力作為研究內(nèi)容，輪椅舉升到車廂地板齊平位置時(shí)電動(dòng)推桿共伸出72 mm，驅(qū)動(dòng)函數(shù)選擇STEP函數(shù)，函數(shù)為：(72/16)*Time。函數(shù)曲線見圖5。

(2)模型檢驗(yàn)

模型檢驗(yàn)是指檢測模型中是否存在錯(cuò)誤的連接和約束，是否存在沒有約束的零件，同時(shí)需排除多余的約束。經(jīng)過分析得知，模型合格。

3.2虛擬樣機(jī)模型仿真分析

仿真分析基于以下假設(shè)條件：

(1)蹬車過程中車輛位于平整的路面上；

(2)蹬車過程中不存在偏載情況；

(3)左右兩個(gè)電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)是一致的。

典型工況畫面見圖6。

3.3結(jié)果分析

對(duì)殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)輪椅舉升裝置的工作特性進(jìn)行仿真分析，設(shè)置以下需要測量的數(shù)據(jù)，如圖7所示。

(1)下拉臂與舉升臂安裝位置點(diǎn)B及電動(dòng)推桿安裝點(diǎn)C、F受力曲線，見圖8。

結(jié)果分析：t=0～16 s點(diǎn)B受力變化很小，受力平穩(wěn); 點(diǎn)C、F受力逐漸減小，其原因是電動(dòng)推桿的作用力臂不斷增大;t=16～25 s，各點(diǎn)受力不斷減小，這是因?yàn)檩喴务傠x舉升平臺(tái)。此過程機(jī)構(gòu)的受力狀況變化平穩(wěn)。

(2)舉升平臺(tái)的速度及加速度隨時(shí)間變化的曲線見圖9。

結(jié)果分析：t=0～16 s，舉升平臺(tái)速度先增大后減小，其加速度很小，此過程機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn);t=16～20 s輪椅駛離舉升平臺(tái)，舉升平臺(tái)速度為0;t=20～25 s是舉升平臺(tái)折翻回位過程，速度先增大后減小，平臺(tái)無載荷，速度變化較快，整個(gè)過程運(yùn)動(dòng)狀況與實(shí)際符合。

(3)電動(dòng)推桿伸出長度與舉升平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及加速度關(guān)系曲線見圖10。

結(jié)果分析：推桿伸出長度0～72 mm為輪椅舉升過程，舉升平臺(tái)的速度先增加后減小，加速度幾乎為0，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn);當(dāng)伸出長度為72～100 mm時(shí)，此過程為舉升平臺(tái)折翻回位過程，舉升平臺(tái)的速度先增加再減小，變化較快，整個(gè)過程運(yùn)動(dòng)狀況與實(shí)際符合。

通過上述仿真分析得知，裝置整個(gè)工作過程平穩(wěn)可靠。

4　支座拓?fù)鋬?yōu)化

4.1拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型建立

支座拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型[6]為：

求：

X=[X1,X2,…,Xn]T

(1)

Min：C=FTU

(2)

(3)

式中：Xi(i=1,2,3,…,n)為設(shè)計(jì)變量；C為結(jié)構(gòu)的柔順度；F為載荷矢量；U為位移矢量；k為剩余材料百分比；V1為優(yōu)化后體積；V0為設(shè)計(jì)區(qū)域體積；K為剛度矩陣。

4.2拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型建立

定義設(shè)計(jì)區(qū)域與非設(shè)計(jì)區(qū)域時(shí)，部件的裝配要求需要考慮在內(nèi)。底座的鉸接位置安裝其他零部件，所以其周邊定義為非設(shè)計(jì)區(qū)域，剩余部分是設(shè)計(jì)區(qū)域。劃分好的網(wǎng)格包括26 896個(gè)節(jié)點(diǎn)和20 548個(gè)單元，見圖11。

通過ADAMS/View獲取底座鉸接處點(diǎn)D、點(diǎn)A、點(diǎn)F的受力曲線，從這3個(gè)點(diǎn)的受力曲線(整個(gè)蹬車過程的受力情況)上提取了具有代表性的4個(gè)時(shí)刻的4組特征數(shù)據(jù)(X向與Y向數(shù)值)，作為FEA模型的輸入載荷(見表1)。

表1底座鉸接位置受力表

N

根據(jù)預(yù)期目標(biāo)設(shè)置設(shè)計(jì)變量、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)三大優(yōu)化邊界條件，建立如圖12所示的優(yōu)化分析模型。

4.3拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

通過OptiStruct求解器求得閾值為0.3的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，見圖13。

結(jié)果表明：設(shè)計(jì)區(qū)域出現(xiàn)了材料空缺。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，建立底座的三維模型，見圖14。

4.4優(yōu)化前后靜力學(xué)性能對(duì)比

優(yōu)化后的支座結(jié)構(gòu)變化明顯，其靜力學(xué)性能會(huì)相應(yīng)變化，對(duì)比分析4種工況下的靜力學(xué)性能。

原結(jié)構(gòu)在受力為F1時(shí)的應(yīng)力最大，為27.4MPa。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力同樣發(fā)生在F1，為87.9MPa，雖然應(yīng)力增大了，但在允許范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)變減小，其剛度增大。原結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為2kg，優(yōu)化后的質(zhì)量為1.44kg，總體減輕18%，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化效果。

5　結(jié)論

所設(shè)計(jì)的殘疾人無縫對(duì)接系統(tǒng)，為殘疾人的出行提供了方便。通過基于ADAMS的動(dòng)力學(xué)仿真分析和基于OptiStruct的優(yōu)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量得以提高，研發(fā)周期得以縮短，開發(fā)成本大大降低，同時(shí)為該類產(chǎn)品今后的研究開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

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Design and Simulation for the Seamless Docking System of Disabled Car

ZHANG Xiaoyan, WU Shuai

(Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China )

Seamless docking system was designed to solve the long-range travel for disabled people. Through the wheelchair lifting device, disabled people who in wheelchair could be pedaled into the cab instead of the driver’s seat, driving long-distance travel demand was achieved.In order to verify the stability of the system, a virtual prototype model was established and the dynamic simulation was analyzed by ADAMS software.The results show that the system is reliable. Topological optimization technology was applied to the main components of the pedaling lifting system,by which an ideal structure of lightweight was gotten.

Wheelchair lifting device; Dynamic simulation; Topological optimization

2016-03-17

張曉艷(1987—)，女，碩士，助理工程師，主要從事汽車底盤設(shè)計(jì)工作。E-mail:zhang_xiaoyan2016@126.com。

U462.1

B

1674-1986(2016)07-038-05