無人駕駛智能小車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

曾波 古龍 曾鳳 王艷萍

摘要：針對無人駕駛智能小車的底盤系統(tǒng)設(shè)計，采用模塊化設(shè)計理念，利用UG軟件對智能小車底盤前橋、后橋及底盤架進行分模塊構(gòu)建，通過ANSYS軟件分析底盤架處于靜止與運動兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，進而不斷優(yōu)化智能小車的底盤結(jié)構(gòu)，以達到最優(yōu)的底盤架設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：智能小車;底盤架;結(jié)構(gòu)設(shè)計;有限元仿真

中圖分類號：U469 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383（2019）02-0009-05

Abstract：For the chassis system design of the driverless intelligent car，the modular design concept was adopted and the UG software was used to construct the front axle，rear axle and chassis frame of the chassis system. Through ANSYS software，the stress and strainof the chassis frame under static and moving conditions? were analyzed.? The chassis structure of the intelligent car was optimized continuously so that the optimal chassis frame design plan，which provides strong support for the overall design and manufacture of the intelligent car can be obtained.

Keywords： intelligent car;chassis frame;structure design;finite element? simulation

自20世紀(jì)50年代開始，世界各國的科研機構(gòu)已陸續(xù)開展智能車輛的設(shè)計研究工作，并取得了重大的技術(shù)突破。人們對智能車輛的需求也越來越迫切，不再只要求自動控制、可重復(fù)編程等功能，而是更多地專注于智能性、安全性、可靠性等功能[1]。智能汽車底盤作為支撐全車重量的關(guān)鍵部件，其強度、剛度在很大程度上決定了整車結(jié)構(gòu)的強度和剛度，影響整車的安全性、穩(wěn)定性，因而在整車的設(shè)計中，底盤的設(shè)計要求尤為重要。傳統(tǒng)的底盤設(shè)計主要通過人工計算、經(jīng)驗判斷和試驗?zāi)M等手段來完成，很難發(fā)現(xiàn)設(shè)計之初的一些問題，無法及時修正[2]。針對智能小車底盤的結(jié)構(gòu)特點，本文將借助計算機輔助軟件，采用模塊化設(shè)計理念，對底盤結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與分析，以實現(xiàn)最優(yōu)的底盤結(jié)構(gòu)。

1 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的智能小車屬于初代實驗用車，采用非承載式車身，要求設(shè)計速度在10～30 km/h，輪距達1.2 m，軸距達1.6 m，總尺寸要求1.4 m×2.2 m×0.8 m，預(yù)計載重300 kg，可實現(xiàn)有人與無人兩種駕駛方式。根據(jù)車輪的作用不同，智能小車底盤結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動橋和支承橋等幾大模塊。其中，絕大多數(shù)車輛采用前置后驅(qū)動設(shè)計，即前橋作為轉(zhuǎn)向橋，后橋作為驅(qū)動橋。

1.1 底盤后橋設(shè)計

底盤后橋是智能小車的驅(qū)動橋，主要由電機、變速器、差速器、傳動軸、彈簧減震器、三角架、輪轂和車輪構(gòu)成，以實現(xiàn)小車的變速和差速功能。

底盤后橋的設(shè)計中，采用獨立懸掛結(jié)構(gòu)，使用彈簧減震器，并在減震器上端橫梁處添加橡膠塊，以提高結(jié)構(gòu)的緩沖與減震能力，達到抑制車身震動的效果，避免車輪受沖擊載荷影響。底盤后橋部分采用整體式電機差速器，不需考慮電機和差速器的連接，因而，底盤后橋的連接結(jié)構(gòu)主要包括：三角架的連接、平衡桿與底盤架的連接、整體式電機差速器與底盤架的連接、減震器與底盤架的連接、電機與底盤架的連接等[3]。

三角架作為獨立懸掛的重要組成部分，由方管與電機支架焊接而成，方管一側(cè)焊接2個U型塊，三角板通過螺栓與U型塊連接;墊塊用以支撐電機，設(shè)置在電機支架上部，通過螺栓與電機支架固定。

智能小車后橋作為驅(qū)動機構(gòu)，其后輪無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，因而應(yīng)約束后輪的轉(zhuǎn)向自由度進行。本文設(shè)計了一種平衡桿結(jié)構(gòu)，一端與拉桿連接，另一端與剎車盤的“羊角”連接，可調(diào)節(jié)連接處的螺紋，改變后輪的運行方向。

1.2 底盤前橋設(shè)計

智能小車前橋作為轉(zhuǎn)向橋，一般由前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、制動器和輪轂總成等組成，可實現(xiàn)承載、制動、行駛和轉(zhuǎn)向等功能。在底盤前橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，其橫梁的高度可由后橋橫梁的高度決定，連接部分的設(shè)計需確保穩(wěn)定性[4]。

為了便于電機的安裝，可在前橋橫梁下方焊接一塊帶孔方板，即可將電機與橫梁固定，實現(xiàn)前橋橫梁與轉(zhuǎn)向輪的有效連接?？紤]到智能小車受載荷和運動因素的影響，前輪會出現(xiàn)沿軸向移動，為了確保前橋轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，可在前輪處設(shè)計平衡桿結(jié)構(gòu)。該平衡桿需要安裝在前輪軸線方向，否則很可能出現(xiàn)前輪不能轉(zhuǎn)向的情況。

1.3 底盤架連接裝置設(shè)計

智能小車底盤架連接裝置的主要作用是連接小車前橋與后橋部分，同時需考慮座位、控制電路、方向盤、換擋器、剎車、顯示器、雷達探測器等部件的安裝與固定。

智能小車底盤架連接裝置主要考慮前后橋橫梁的連接、后橋電機支撐板的固定以及底盤前后橋的穩(wěn)定[5]。由于后橋電機支撐板用于支撐后橋大部分重量，因而采用行架結(jié)構(gòu)，通過焊接方式將調(diào)試好的前后橋固定，確保足夠的強度、剛度及可靠性。為了增加底盤前后橋連接的穩(wěn)定性，可設(shè)置兩根穩(wěn)定桿，桿的一端通過螺栓與前橋穩(wěn)定桿連接，另一端與縱梁支撐桿連接。

1.4 智能小車底盤建模

本文分模塊地建立了底盤后橋總成模型、底盤前橋總成模型及底盤架模型。

后橋電機與減速器為一體式結(jié)構(gòu)，采用支架支撐，可便于安放驅(qū)動電機編碼器，增加底盤后橋的整體剛性。上文采用單斜臂式獨立懸掛，配合減震器可以有效地減輕小車底盤整體的震動，確保小車較高的穩(wěn)定性，以利于電機安全可靠地傳遞動力[6]。

無人駕駛智能小車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報http：//paper.cdtu.edu.cn/第22卷根據(jù)后橋底盤架與電機、車輪、懸架等零部件的組合關(guān)系，建立智能小車底盤后橋總成的三維模型，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該型智能小車底盤前橋的設(shè)計中，主要考慮與轉(zhuǎn)向系的連接，即只涉及與轉(zhuǎn)向電機的連接，與方向盤的連接固定。智能小車底盤前橋總成的三維模型如圖2所示。

智能小車底盤架連接裝置主要用于連接前橋和后橋，同時也用于安裝座位、安裝換檔器、變速器方向盤、剎車、電瓶和控制系統(tǒng)總成等結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

根據(jù)上文所建立的智能小車的各組成部件，依次將前橋、后橋、底盤架連接裝置進行裝配，以形成智能小車底盤的整體模型，如圖4所示。

2 底盤架的有限元分析

底盤架是整個智能小車的基體，主要受作用于小車內(nèi)外的各種載荷，受力狀況復(fù)雜、多變。底盤架的強度與剛度，對小車整車的可靠性、安全性及使用壽命具有較大的影響，因此必須確保底盤架具有足夠的強度與剛度，對底盤架進行有限元分析顯得尤為重要。通過有限元分析，能夠全面掌握底盤架對整車性能的影響，進而繼續(xù)對其進行優(yōu)化設(shè)計提高智能小車的整體性能。

通常情況下，智能小車底盤架可以視為相對靜止的，對其進行靜力學(xué)仿真時，主要考慮小車分別處于靜止和運動時的受力和位移情況，計算底盤架整體的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況[7]。

當(dāng)智能小車處于靜止?fàn)顟B(tài)時，底盤后橋的彈簧減震器與橫梁的連接、前橋橫梁與電機的連接均可視為固定約束，底盤架橫梁與縱梁考慮剛性連接，因而可對底盤架作進一步簡化，即底盤架受垂直方向的均布載荷作用。此時，底盤架只承受一個均布載荷的作用，前后梁分別存在兩個固定約束。采用設(shè)計載荷為500 kg的力加載于底盤架上，分析智能小車處于極限狀態(tài)下的受力和位移情況。

當(dāng)智能小車處于運動狀態(tài)時，后橋的彈簧減震器處于工作狀態(tài)，可將彈簧減震器與后橋橫梁接觸處簡化為受到一個周期變化的力;而前橋橫梁與電機的連接仍視作固定約束，即底盤架前橋部分受到豎直向下的均布載荷的作用。通過查閱相關(guān)文獻[8]，可獲得彈簧減震器的剛度、減震器阻尼系數(shù)，確定減震器線性變化時對底盤架的支撐力，該支撐力取值范圍為4 500～5 000 N。

假設(shè)彈簧減震器簡化為線性彈簧和阻尼，焊接部位均視為剛性連接，部分螺栓連接也視為剛性連接，暫不考慮運動副的影響，在ANSYS中建立底盤架的靜力學(xué)仿真模型。

當(dāng)智能小車處于靜止?fàn)顟B(tài)時，以x_t的文件格式導(dǎo)入ANSYS，進入靜力學(xué)仿真操作界面，對底盤架進行自由網(wǎng)格劃分，檢查分析網(wǎng)格質(zhì)量。接著引入相關(guān)約束，在后橋橫梁與彈簧減震器連接處、前橋橫梁與電機連接處施加固定約束;繼續(xù)引入載荷，在底盤架的上表面施加4 800 Pa的載荷，計算底盤架的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，如圖5～6所示。

當(dāng)智能小車處于運動狀態(tài)時，其大致分析過程與小車處于靜止?fàn)顟B(tài)相似，主要不同之處是：添加約束時前橋橫梁與電機連接處視為固定約束，后橋橫梁與彈簧減震器接觸處施加周期變化載荷，如圖7所示。

通過有限元計算可知，智能小車處于運動狀態(tài)時，底盤架的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果如圖8～9所示。

當(dāng)智能小車處于靜止?fàn)顟B(tài)時，底盤架縱梁中部變形為0.4 mm，最大等效應(yīng)力為52.17 MPa;當(dāng)智能小車處于運動狀態(tài)時，底盤架縱梁變形為36.86 mm，最大等效應(yīng)力為145 MPa。隨著智能小車載荷持續(xù)增加且循環(huán)作用，底盤架縱梁易出現(xiàn)疲勞斷裂等破壞形式，破壞小車的整體性能，進而引發(fā)各種不安全因素。

為了提高底盤架的剛度和強度，可在縱梁中部對稱焊接支撐桿。此時，可計算出底盤架所受的均布載荷為4 000 Pa，分別計算出底盤架處于靜止?fàn)顟B(tài)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖10～11所示，運動狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖12～13所示。

底盤架增加支撐桿后，底盤架的整體穩(wěn)定性得到進一步提高。通過有限元分析可知，不論是靜止?fàn)顟B(tài)還是運動狀態(tài)，底盤架的最大變形均明顯降低，最大等效應(yīng)力也相應(yīng)地降低，底盤架縱梁最大變形為31.7 mm，最大等效應(yīng)力為127.4 MPa，完全滿足設(shè)計的剛度、強度要求。

3 結(jié)論

本文采用模塊化設(shè)計理念，通過對智能小車底盤前橋、后橋及底盤架連接裝置進行分模塊建模，分別計算底盤架處于靜止與運動兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。本文設(shè)計的底盤結(jié)構(gòu)能夠較好地實現(xiàn)智能小車前后橋的有效連接，確保智能小車正常穩(wěn)定行走，達到預(yù)期要求和目的。

參考文獻：

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