基于Adams的一種行程放大機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

郭蘭滿

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528300）

0 引言

駕駛室自動(dòng)伸縮踏板在工程車輛領(lǐng)域的自動(dòng)化無(wú)人化趨勢(shì)下應(yīng)用來(lái)越普遍，其在車輛性能、安全保障、舒適、人性化設(shè)計(jì)方面將扮演更重要的角色[1]。王新智等[2]針對(duì)一種X型行程放大桿系系統(tǒng)闡述了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，并運(yùn)用基于Adams的虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)該機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。王曉磊等[3]對(duì)一種能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)末端位置行程放大的2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)性能分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

本研究的伸縮踏板結(jié)構(gòu)原理是一種可實(shí)現(xiàn)行程比例放大的多連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由兩級(jí)四連桿機(jī)構(gòu)組成，利用四桿系行程放大原理，實(shí)現(xiàn)小行程驅(qū)動(dòng)大行程輸出，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)?；贏dams虛擬樣機(jī)仿真軟件，對(duì)伸縮踏板桿系機(jī)構(gòu)關(guān)鍵鉸點(diǎn)位置參數(shù)進(jìn)行分析研究及優(yōu)化[4]。

1 伸縮踏板行程放大機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)分析

1.1 伸縮踏板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

伸縮踏板具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作機(jī)理為：由ABOC組成組成四桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)鉸點(diǎn)A向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上搖桿和下?lián)u桿繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而連桿1和連桿2E繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)向中間收攏，在連桿3和連桿4的共同作用下推動(dòng)伸縮踏板沿導(dǎo)軌向前移動(dòng)，為保證踏板沿軌道側(cè)面受力均勻，該桿系布置為相對(duì)滑動(dòng)軸線方向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。

圖1 駕駛室伸縮踏板機(jī)構(gòu)原理

該機(jī)構(gòu)桿件間的長(zhǎng)度和角度關(guān)系直接影響著整個(gè)桿系行程的放大效率和受力，為了在一定范圍內(nèi)得到一組較為優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立了整個(gè)桿系的力學(xué)模型，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，基于ADAMS進(jìn)行了多變量試驗(yàn)研究和優(yōu)化計(jì)算[5]。

1.2 行程放大系數(shù)計(jì)算

伸縮踏板行程放大桿系機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 行程放大桿系機(jī)構(gòu)

由于該桿系結(jié)構(gòu)相對(duì)X軸方向?qū)ΨQ，抽取單邊對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析。建立如圖2所示坐標(biāo)系，以機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)計(jì)短桿OB長(zhǎng)度L1，長(zhǎng)桿OD長(zhǎng)度L2，鉸點(diǎn)D、A、F初始坐標(biāo)分別為（xD，yD），（xA，0），（xK，0），A點(diǎn)移動(dòng)距離AA’為L(zhǎng)A，K點(diǎn)移動(dòng)距離Kk’為L(zhǎng)k，驅(qū)動(dòng)桿B初始安裝角度為α，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為β?？傻玫饺缦聨缀侮P(guān)系：

根據(jù)式（1）及式（2）可得：

其中：B=2xα-2L1·cos（α-β）；C=2L1·xA·[cosαcos（α-β）]；M=2xk-2L·2cos（α-β）；N=2L2·x·k[cosα-cos（α-β）]

由式（3）和式（4）即可得到行程放大系數(shù)μ：

由式（5）可知，機(jī)構(gòu)行程放大系數(shù)μ與桿長(zhǎng)L1、L2、A及k初始坐標(biāo)值xA、xk以及初始安裝角α有關(guān)，并且是驅(qū)動(dòng)桿OB轉(zhuǎn)動(dòng)角度β的函數(shù)。

1.3 機(jī)構(gòu)受力分析

該機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)力主要用于克服踏板與導(dǎo)軌之間的摩擦力，且運(yùn)動(dòng)速度緩慢，機(jī)構(gòu)的受力分析假設(shè)在任意時(shí)刻均受力平衡。

以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，令點(diǎn)B、D在任意位置的坐標(biāo)分別為B（xB，yB）、D（xB，yB），AB和KD與水平線所夾銳角分別為φ和γ，根據(jù)二力桿原理及繞O點(diǎn)的力矩平衡方程有式（6）：

圖3 桿系受力

由式（6）得到驅(qū)動(dòng)力與負(fù)載之間的比值r：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮空間尺寸及傳動(dòng)效率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能使行程放大系數(shù)μ最大，使驅(qū)動(dòng)力比值r最小。

2 基于Adams機(jī)構(gòu)仿真與鉸點(diǎn)優(yōu)化

2.1 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

基于Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件，以電動(dòng)推桿作為驅(qū)動(dòng)，假設(shè)踏板勻速向右滑動(dòng)，參考GB10000-88“中國(guó)成年人人體尺寸”，假定踏板負(fù)載總重75 kg，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版》鋼對(duì)鋼有潤(rùn)滑時(shí)摩擦系數(shù)0.1～0.12，本研究選取踏板水平方向摩擦系數(shù)0.11，則在K點(diǎn)施加方向向左的恒定摩擦力FKx=81 N，根據(jù)結(jié)構(gòu)空間尺寸，設(shè)定踏板沿導(dǎo)軌可滑動(dòng)距離LK=400 mm，電動(dòng)推桿設(shè)定速度V=9 mm/s，仿真驅(qū)動(dòng)油缸力曲線如圖4所示[6]。

圖4 驅(qū)動(dòng)油缸力時(shí)域曲線

2.2 參數(shù)化建模及優(yōu)化計(jì)算

以O(shè)點(diǎn)為整體坐標(biāo)系原點(diǎn)，以點(diǎn)A、B、C、D、E的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)建立設(shè)計(jì)變量，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，即：A（XA，0），B（XB，YB），C（XC，YC），D（XD，YD），E（XE，YE），考慮整個(gè)桿系機(jī)構(gòu)相對(duì)X軸對(duì)稱，有XB=XC，YB=-YC，XD=XE，YD=-YB，設(shè)計(jì)變量的取值范圍按照相對(duì)值的方法確定，各變量下偏差設(shè)置為-30 mm，上偏差設(shè)置為+30 mm，以電動(dòng)推桿的最大推力為目標(biāo)函數(shù)，定義多變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)，目標(biāo)函數(shù)為max（FXA），參變量為（DVXA，DVXB，DVYB，DVYD）[7]。

基于Adams軟件Insight模塊對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到各變量在偏差范圍內(nèi)推桿最小驅(qū)動(dòng)力，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鉸點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化迭代結(jié)果

由表1可知，設(shè)計(jì)變量XA取值64、XB取值113、YB取值154、XD取值473，YD取值191時(shí)，電動(dòng)推桿作用力由最大值721 N減小為最小值463 N，電動(dòng)推桿作用力優(yōu)化前后曲線如圖5所示。

圖5 電動(dòng)推桿作用力優(yōu)化前后曲線對(duì)比

3 結(jié)論

（1）建立駕駛室伸縮踏板行程放大機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行仿真，基于Adams/Insight模塊對(duì)各鉸點(diǎn)位置建立設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行了優(yōu)化，提供了一種機(jī)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。

（2）通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，得到各連桿鉸點(diǎn)在變量范圍內(nèi)的最優(yōu)點(diǎn)坐標(biāo)，電動(dòng)推桿作用力由最大值減小為最小值，可有效減低電動(dòng)推桿選型成本，使驅(qū)動(dòng)力時(shí)間曲線更趨平緩，機(jī)構(gòu)運(yùn)行更加高效。

（3）使用Adams軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)省時(shí)高效，可以得到精確直觀的載荷曲線及結(jié)果參數(shù)，為后續(xù)系統(tǒng)多目標(biāo)函數(shù)聯(lián)合優(yōu)化提供參考。