基于UG的臺車轉(zhuǎn)向機構的運動仿真

周小容，袁 森，2

(1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州理工學院機械工程學院，貴州 貴陽550003)

0 引言

近年來，經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高使得汽車保有量急速上升[1]。在帶動相關汽車行業(yè)發(fā)展的同時，也帶來了停車位難找，停車困難等問題。針對這些問題，傳統(tǒng)做法大多數(shù)是通過挖掘、改造、新建等方式大力推進城市地下停車場建設[2]，在一定程度上緩解了停車位不足的問題，但與此同時也需要更多的場地空間，目前已逐步采用機械化的停車庫。相關學者也對此做了很多研究。馬舜等[3]針對機械式停車設備故障頻發(fā)問題，以市場占有率較高的兩層升降橫移類機械式停車設備為研究對象，采用CAD/CAE技術開展框架結構模態(tài)分析與試驗研究。韓艷等[4]分析了停車場選址、投資模式等影響因素與支持意向決策之間的關系，結果表明：居民的年齡、文化程度、對小區(qū)停車管理的滿意度以及居住區(qū)戶均車位數(shù)、停車位利用率等因素對停車場立體化改造決策具有顯著影響。王小農(nóng)等[5]提出基于多色集合理論和果蠅算法的平面移動式立體車庫車位分配決策模型，以解決平面移動式立體車庫車位分配時顧客排隊隊長過長和出入庫效率等問題。薛裕峰等[6]設計了可聯(lián)網(wǎng)立體車庫智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PLC控制系統(tǒng)移動車位板，通過傳感器實時檢測車位狀態(tài)、限位開關、電機等車庫運行參數(shù)并發(fā)送給ARM控制系統(tǒng)，通過ARM控制系統(tǒng)將車牌識別系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)發(fā)出的信息和參數(shù)通過網(wǎng)絡實時上傳至云平臺，云平臺分析云門戶(網(wǎng)站和APP)和ARM控制器的數(shù)據(jù)并制定相應的控制策略。

國內(nèi)外相關學者對停車庫的研究大多集中于對機械式停車庫的研究，雖然在一定程度上解決了停車難的問題，但無法實現(xiàn)高效的全自動化停車需求。而停車庫的智能管理，自動泊車能很好地解決停車耗時長等問題。因此，根據(jù)實際需求，設計了1臺由液壓驅(qū)動的停車場AGV(automatic guided vehicle)自動泊車臺車。由于在轉(zhuǎn)向過程中，對AGV自動泊車臺車的回轉(zhuǎn)性能要求較高，故利用UG軟件對轉(zhuǎn)向機構進行運動仿真分析，以達到精準控制的目的，為相關運動機構的運動仿真提供一定的參考價值。

1 AGV臺車結構及工作過程

本文設計的AGV臺車是一種用于停車場的運輸車。當用戶把汽車開到停車場入口后，便可離開，剩下的停車任務由AGV臺車完成，為汽車用戶節(jié)約時間。基于UG軟件環(huán)境搭建的自動泊車臺車三維模型如圖1所示。臺車總體結構主要由下盤總成、升降機構和上盤總成組成。下盤主要用于安裝油箱、變頻電機、方向機、液壓泵、行駛馬達、轉(zhuǎn)向馬達和剎車總成；升降機構主要是液壓驅(qū)動的液壓缸；上盤主要由十字架、伸縮液壓缸、引導梁、大臂和撮箕等部分組成。工作時，將小車固定安裝在工字形鋼軌上[7]。運行時，用戶把待停放車輛開到指定位置停好后離開；然后， AGV臺車自動啟動，自主行駛到車輛底盤下面，大臂在伸縮缸的推動下向外伸開，同時通過裝在撮箕上的紅外傳感器自動調(diào)整到與車輪對齊；接著大臂伸縮缸鎖死，撮箕伸縮缸推動撮箕將車輪鏟起；接著，AGV臺車自動將車輛運輸?shù)焦芾沓绦蛱峁┑闹付ㄍ＼囄?，自動完成停車這一耗時的工作。

圖1 AGV自動泊車臺車三維示意

2 傳動機構的機械動力學分析

所設計的自動泊車臺車轉(zhuǎn)向部分是一個三級齒輪減速器，其傳動路線如圖2所示。轉(zhuǎn)向液壓馬達驅(qū)動小齒輪1，小齒輪1的動力經(jīng)3級齒輪減速后，傳遞到末端的齒輪5。為了提高自動泊車臺車在轉(zhuǎn)向過程中的平順性，臺車設計為上下兩盤獨立轉(zhuǎn)向的形式，同時把齒輪5設計為大齒厚形式，以滿足該臺車在上下兩盤獨立轉(zhuǎn)向過程中的齒輪4沿著齒輪5作軸向運動的功能。齒輪減速器的相關參數(shù)如表1所示。

圖2 齒輪傳動路線示意

表1 各齒輪參數(shù)

在該齒輪系統(tǒng)中，采用固體潤滑的方式來減小齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的磨損，故齒嚙合的過程中，齒與齒之間，軸與齒輪之間均存在著“接觸”和“分離”2種狀態(tài)。故采用狀態(tài)模型對齒輪傳動過程中間隙處的接觸碰撞問題進行描述[8]。齒嚙合處的間隙稱為齒側(cè)間隙，主要產(chǎn)生原因是齒輪的制造誤差。齒輪軸中心線與齒輪中心線不重合時，產(chǎn)生的間隙稱為徑向間隙，徑向間隙的大小與齒輪軸，軸承，齒輪內(nèi)孔的制造精度，以及齒輪軸與齒輪的安裝誤差密切相關。徑向間隙與齒側(cè)間隙之間存在著耦合關系，圖3為單對齒輪副的多間隙耦合模型，主要由主動齒輪1和從動齒輪2組成。齒側(cè)間隙與徑向間隙相互影響。當徑向間隙發(fā)生變化時，會導致2個齒輪之間的中心距發(fā)生變化，而中心距的改變會直接使齒側(cè)間隙發(fā)生變化。齒側(cè)間隙的動態(tài)變化又會對齒輪的扭轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生影響，進而影響徑向間隙。

圖3 齒輪多間隙耦合模型

為深入研究多間隙耦合模型中的耦合關系，利用牛頓第二定律及動量矩定理對單對齒輪多間隙耦合模型建立數(shù)學模型為

(1)

利用d’Alembert原理可求得齒側(cè)處和軸承接觸處的振動微分方程為：

(2)

(3)

2個齒輪中心距A發(fā)生變化時，齒輪嚙合線N1N2及嚙合角α′等參數(shù)幾何關系也會發(fā)生變化，變化情況如圖4所示。

圖4 齒輪含間隙嚙合示意

由圖4中可以看出，當中心距擴大后，會使嚙合角增加，進而影響齒輪嚙合時的重合度，重合度的大小將直接影響齒輪傳動機構的平穩(wěn)性和承載能力。重合度ε為

(4)

z1、z2及αa1、αa2分別為齒輪1和齒輪2的齒數(shù)及齒頂壓力角；α′為嚙合角。由式(4)可知，重合度與齒輪的齒數(shù)成正相關關系，隨嚙合角的減小而增大，還與齒頂壓力角有關，因此可通過增加齒數(shù)或減小嚙合角來提高重合度。在追求齒輪傳動機構平順性的同時，必須要兼顧齒輪的承載能力。當分度圓直徑確定后，齒輪模數(shù)和齒數(shù)成反比關系，承載能力更高的齒輪所具有的模數(shù)也越大，故不能為提高重合度而過大增加齒輪齒數(shù)。由于齒側(cè)間隙不可避免地會增大嚙合角，影響平順性，且隨著減速級數(shù)增多存在累積效應。因此，本文設計的轉(zhuǎn)向機構的傳動方案為三級外齒輪減速器，驅(qū)動源為高速的液壓馬達，可以提高響應速度。

3 回轉(zhuǎn)機構的運動仿真

首先在UG/Modeling模塊建立齒輪減速器的三維模型，如圖5所示，裝配好后，導入UG/Motion模塊進行動力學仿真分析。

圖5 齒輪減速器的虛擬樣機模型

在運動模塊下，新建一個仿真。定義齒輪1及其軸1為連桿1；齒輪2、齒輪3和及其軸為連桿2；齒輪4及其軸為連桿3；齒輪5和內(nèi)套為連桿4。建立好連桿后，給各個連桿建立相應的旋轉(zhuǎn)副，1個旋轉(zhuǎn)副限制5個自由度，放開了繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度[10]。然后，在嚙合的齒輪之間建立齒輪耦合副。

給連桿1一個速度為400 (°)/s的多項式驅(qū)動，并定義解算方案，由于重力對回轉(zhuǎn)機構的回轉(zhuǎn)過程的影響較小，故解算方案中不考慮重力的影響。

仿真時間設置為20 s。齒輪1與齒輪5之間存在的傳動比關系為

ω5/ω1=i12×i34×i45

(5)

ω1、ω5分別為齒輪1和齒輪5的角速度；i12、i34、i45分別為對應嚙合齒輪的傳動比。根據(jù)式(5)可計算出齒輪5的輸出角速度ω5=30 (°)/s?；剞D(zhuǎn)機構的激勵與響應之間的關系如圖6～圖8所示。

圖6 齒輪繞Z軸旋轉(zhuǎn)的位移曲線

圖8 齒輪繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角加速度曲線

由圖6可以看到,時間從0持續(xù)到20 s時，齒輪1繞Z軸旋轉(zhuǎn)的位移幅值從0線性上升到8 000°，由于回轉(zhuǎn)機構的傳動方案為三級齒輪減速器，輸出齒輪5的位移從0線性變化到-600°。位移幅值明顯減小。圖7是在激勵為400 (°)/s的情況下，得到的回轉(zhuǎn)機構的速度響應曲線。曲線雖有一定的波動，但總體上維持30 (°)/s，滿足理論計算關系，方向與激勵方向相反。圖8為激勵與響應之間的角加速度的對比。由圖8可以看出，角加速度激勵與角加速度響應之間的變化趨勢基本一致，幅值變化是由于傳動比的原因。

4 結束語

針對地下停車庫駕駛困難，停車難度大等問題，利用UG軟件，設計了1臺AGV泊車臺車，并利用運動仿真模塊對其轉(zhuǎn)向結構進行仿真分析，得出以下結論。

a.輸入齒輪1和輸出齒輪5之間的位移曲線關系表明了回轉(zhuǎn)機構運動方向的準確性。

b.速度響應基本穩(wěn)定在30 (°)/s，與理論計算一致，理論模型與速度響應曲線互為印證。

c.角加速度響應曲線與激勵曲線的變化趨勢基本一致。

仿真結果表明，所設計的回轉(zhuǎn)機構能夠較為平順地運行，該設計為物理樣機的運動分析提供一定的借鑒。