張澤仲 張曉艷 卞學(xué)良

摘 要：根據(jù)車型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)特種車輛無縫對(duì)接系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析載荷力的傳遞過程，推算驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)推桿的受力情況，利用MATLAB/ SIMULINK進(jìn)行數(shù)學(xué)建模仿真驗(yàn)證是否符合電動(dòng)推桿的額定推力，最后將所建結(jié)構(gòu)模型利用ADAMS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而得到符合要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：輪椅舉升裝置;數(shù)學(xué)建模;動(dòng)力學(xué)仿真

中圖分類號(hào)：U462 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-102-04

Research and optimization of special vehicle seamless docking system

Zhang Zezhong¹，?Zhang Xiaoyan²，?BianXueliang²

（1.China Automotive Technology and Research?Center?Co.，?Ltd，?Tianjin 300300;2.Hebei University?of?Technology，?Tianjin 300401）

Abstract：?Design of the system and its movement rules of the disabled person's seamless system based on the vehicle data. According to the load transfer process analysis system structure， and calculate the driving force of the electric push rod device. The use of MATLAB/ SIMULINK mathematical modeling and verification to verify whether the thrust force of the electric push rod meet requirements. Finally， the structural model is optimized by ADAMS software， and the optimal structure is obtained.

Keywords：?Wheelchair lifting device;?Mathematical modeling;?Dynamic simulation

CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-102-04

前言

近年來，中國殘疾人數(shù)不斷上升，隨之而來殘疾人出行問題越來越受到關(guān)注，輪椅已成為殘疾人出行必備工具，而人力輪椅無法滿足長途出行，故需要設(shè)計(jì)使輪椅與車輛友好對(duì)接設(shè)備。日本本田公司，日本豐田公司及美國harmar公司都研發(fā)出了類似產(chǎn)品。本文設(shè)計(jì)了一種舉升裝置是輪椅能夠進(jìn)入車輛，并通過對(duì)特種車輛無縫對(duì)接系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化得到系統(tǒng)的最優(yōu)模型。

1?設(shè)計(jì)要求

特種車輛無縫對(duì)接系統(tǒng)要求升降平臺(tái)從地面升至車廂地板平面過程符合人體所能承受的運(yùn)動(dòng)范圍，輸入功率盡可能小，傳遞效率盡可能高，在滿足工況要求的情況下盡可能使結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

該系統(tǒng)工作行程為升降平臺(tái)降至地面，輪椅駛?cè)肷灯脚_(tái)，升降平臺(tái)托舉輪椅上升至于車廂地板水平接合，待輪椅駛?cè)胲噹?，升降平臺(tái)收起，工作行程結(jié)束。

此無縫對(duì)接系統(tǒng)安裝在某車型上，根據(jù)車型數(shù)據(jù)決定對(duì)接系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

2?對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

對(duì)接系統(tǒng)裝配于車尾，輪椅駛?cè)肷灯脚_(tái)，升降平臺(tái)連同由電動(dòng)推桿推動(dòng)舉升至與車廂地板水平接合后，輪椅駛?cè)腭{駛室，之后對(duì)接系統(tǒng)收起，使占用空間最小。

2.1 蹬車升降裝置設(shè)計(jì)

蹬車升降裝置采用對(duì)稱的雙四桿機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)主臂、拉臂、及升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)如圖2所示：

2.2 建立電動(dòng)推桿位移模型

蹬車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3：

升降平臺(tái)垂直位移y：

升降平臺(tái)水平位移x：

其中l_AB=506mm、l_AC=370.6mm、l_AE=113.4mm、α=66.06°、γ=4.581°，聯(lián)立以上三式，由matlab求得s與x，y間關(guān)系：

利用MATLAB所得函數(shù)作圖與ADAMS仿真所得比對(duì)，將Adams所得圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab與數(shù)學(xué)模型對(duì)比結(jié)果如圖4、圖5：

由對(duì)比圖知所建數(shù)學(xué)模型精度達(dá)到要求，數(shù)學(xué)模型可正確表達(dá)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)

根據(jù)加速度舒適性評(píng)價(jià)及相關(guān)方面的研究，取蹬車過程垂直方向急動(dòng)度j=0.6m/s³，最大加垂直速度不超過0.6m/s²，最大垂直速度不超過1.75m/s。

蹬車過程升降平臺(tái)升至車廂地板高度，豎直位移y=300?mm，根據(jù)位移與急動(dòng)度關(guān)系公式：

由此計(jì)算出急動(dòng)度轉(zhuǎn)變時(shí)間點(diǎn)，并由下式計(jì)算蹬車過程平臺(tái)垂直加速度：

可得：

曲線如圖6所示：

將垂直加速度函數(shù)進(jìn)行兩次積分，可得垂直位移y關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)：

與式（2）、式（3）聯(lián)立，可得水平位移x與時(shí)間t的函數(shù)及主臂升角（β-α-γ）關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)：

對(duì)水平位移函數(shù)k（t）求二階導(dǎo)數(shù)可得水平加速度關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)：

2.4 建立電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)推力模型

欲分析電動(dòng)推桿受力，即主臂上c點(diǎn)受力，現(xiàn)逆向推算即由升降平臺(tái)承受負(fù)載推算主臂受力。

隔離升降平臺(tái)進(jìn)行受力分析：

設(shè)負(fù)載輪椅及人總重120kg，每側(cè)裝置分配載荷60kg，隔離舉升平臺(tái)進(jìn)行受力分析，升降平臺(tái)受力分析簡圖如圖7所示，其中l(wèi)1=70.34mm，l2=101.16mm，l3=393.2mm，l4=?338.8mm。

豎直方向慣性力F_y及水平方向慣性力F_x：

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，可得：

根據(jù)式（11）可得F_Fy與F_Fx關(guān)系：

聯(lián)立式（17）、（18）可得：

將F_Fy、F_Fx帶入式（15）、（16），即可求出升降平臺(tái)與主臂鉸接點(diǎn)B受力：

隔離主臂進(jìn)行受力分析：

主臂結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示：

由達(dá)朗貝爾原理：

已知l_AC=370.75，l_EC=s，由根據(jù)余弦定理可得：

由式（4）（10）聯(lián)立解得：

將其帶入式（24）可得：

又因?yàn)椋?/p>

將其帶入式（23）中即可得出：

求得v（t）即為電動(dòng)推桿推力關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。

將以上公式導(dǎo)入MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并輸入加速工況及負(fù)載如圖9所示：

用此模型模擬蹬車過程，設(shè)置仿真時(shí)間2.52s，運(yùn)行模型結(jié)果如圖10所示：

圖形表明推桿的最大推力不超過2900N，符合電動(dòng)推桿的額定推力。

3?利用ADAMS進(jìn)行仿真優(yōu)化

為了將電動(dòng)推桿的最大推力降低，以改善各構(gòu)件工作狀態(tài)將ADAMS中所建模型進(jìn)行優(yōu)化，主要考慮主臂與支座鉸接點(diǎn)A，主臂與電動(dòng)推桿鉸接點(diǎn)C，電動(dòng)推桿與支座鉸接點(diǎn)E：

（1）將A、C、E點(diǎn)設(shè)置為參數(shù)化點(diǎn)，并根據(jù)車型參數(shù)確定優(yōu)化范圍，設(shè)置如表2：

（2）將以上6個(gè)變量依次設(shè)計(jì)研究得出敏感度如表3：

由此可見電動(dòng)推桿力的變化相對(duì)DV_2、DV_5、DV_6三個(gè)變量最敏感。

（3）對(duì)敏感變量進(jìn)行優(yōu)化

設(shè)置對(duì)電動(dòng)推桿最大推力進(jìn)行最小化優(yōu)化，設(shè)計(jì)變量為DV_2、DV_5、DV_6，優(yōu)化結(jié)果如表4：

優(yōu)化后電動(dòng)推桿受力曲線與優(yōu)化前電動(dòng)推桿受力曲線對(duì)比如圖11。

由表4和圖11可以看出，優(yōu)化后電動(dòng)推桿最大推力由2868.97N降至2183.74N，降幅達(dá)到23.9%，且力的變化更平緩，優(yōu)化基本達(dá)到了效果。

4 結(jié)語

此文介紹的特種車輛無縫對(duì)接系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并利用MATLAB軟件建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，再通過動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型并優(yōu)化，在符合車型參數(shù)的情況下最大限度降低電動(dòng)推桿的載荷，改善其工作環(huán)境，優(yōu)化效果顯著。

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