電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜合系統(tǒng)聯(lián)合仿真與分析

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中文摘要 I 摘要 近年來(lái) 由于交通的擁擠 油價(jià)的持續(xù)上漲 以及老年人口比例的逐年增加 使得電動(dòng)車(chē)的發(fā)展非常迅速 為了開(kāi)發(fā)出新型的電動(dòng)代步車(chē) 虛擬樣機(jī)的仿真技 術(shù)已成為一個(gè)重要的研究課題 為了優(yōu)化電動(dòng)代步車(chē)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)尺寸 調(diào)整其控制參數(shù) 本文采用了計(jì)算 機(jī)虛擬仿真技術(shù) 同時(shí)依靠軟件間的協(xié)同合作平臺(tái) 建立了電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜 合系統(tǒng)模型 并對(duì)電動(dòng)代步車(chē)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析 本文的研究主要內(nèi)容包括 1 基于多體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論 在 ADAMS 軟件中分別建立了電動(dòng)代步車(chē)的 輪胎 人體 座椅 柔性體支架 路面譜等子模型 并在 ADAMS 計(jì)算環(huán)境下 通過(guò)添加約束的方式 把這些子模型組成一個(gè)整體 從而建立了電動(dòng)代步車(chē)人機(jī) 剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型 2 在 MATLAB Simulink 平臺(tái)上建立電動(dòng)代步車(chē)永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型 并 對(duì)電機(jī)的動(dòng)力性能進(jìn)行測(cè)試 通過(guò)軟件間的接口 搭建了 ADAMS MATLAB Simulink 平臺(tái) 將生成的電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型與電機(jī)模型在此平臺(tái) 上進(jìn)行聯(lián)合仿真 從而建立了電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜合系統(tǒng)模型 3 利用 ADAMS 軟件對(duì)電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿 真分析 電動(dòng)代步車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真分析內(nèi)容包括 爬坡性能仿真分析 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真分析 轉(zhuǎn)向回正性仿真分析 蛇形仿真分析 電動(dòng)代 步車(chē)平順性仿真分析內(nèi)容包括 隨機(jī)路面的仿真分析 脈沖路面的仿真 分析 凹坑路面的仿真分析 臺(tái)階路面的仿真分析 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行 分析和總結(jié) 4 建立電動(dòng)代步車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案 并對(duì)電動(dòng)代步車(chē)加速和差速轉(zhuǎn)向進(jìn) 行聯(lián)合仿真 調(diào)解 PID 參數(shù) 觀察 PID 控制效果 驗(yàn)證控制方案的可行性 5 針對(duì)仿真過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了歸納與總結(jié) 并提出了改進(jìn)意見(jiàn)與展 望 本文的仿真分析與研究 對(duì)電動(dòng)代步車(chē)產(chǎn)品的研發(fā)具有重要的推進(jìn)作用 其 分析計(jì)算結(jié)果對(duì)電動(dòng)代步車(chē)樣機(jī)的調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義 所提出的人機(jī)電綜 合系統(tǒng)的仿真方法對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與參數(shù)的優(yōu)化具有很強(qiáng)的參考價(jià)值 關(guān)鍵詞 電動(dòng)代步車(chē) 人機(jī)電綜合系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)特性 PID 聯(lián)合仿真 II ABSTRACT Recently the development of electric scooter is extremely rapidly because of the sustained higher oil price the increasingly blocking traffic and cumulatively higher ageing population In order to develop a new kind of electric scooter virtual prototype simulation technology has become an important research project In order to optimize the structure and design size adjust the control parameters of the electric scooter computer aid virtual simulation technology has been used in this paper Depending on collaboration platform between different software human machine electric integrated model of electric scooter has been established and the simulation analysis of the dynamic characteristics of this model has been made The main contents of this paper include 1 Based on multi body dynamics theory the sub models of tires body chair flexible bracket and pavement spectrum have been made And make these sub models into an assembly through adding restrain in ADAMS Thus the human machine rigid fixe mechanical system model has been made 2 PMBLDC model of electric scooter has been established on MATLAB Simulink platform and the dynamic performance of the PMBLDC has been tasted ADMAS MATLAB Simulink platform has been created by the data interface between different software Co simulation between the human machine rigid fixe mechanical system model of the electric scooter and PMBLDC model has been conducted to establish the human machine electric integrated system model of electric scooter 3 Dynamic characteristics simulation of human machine rigid fixe mechanical system model of electric scooter had been made in ADAMS The contents of control stability simulation include climbing ability simulation steady turning simulation returnability simulation S shaped simulation The contents of ride comfort simulation include random road simulation pulse road simulation pit rode simulation steps rode simulation Finally analysis and summary of the simulation results has been made 4 Control program of electric scooter driving system has been established Co Simulation of acceleration and differential steering of the electric scooter have been made PID parameters have been adjusted results of PID control have been observed 英文摘要 III feasibility of this program has been verified 5 Conclusion and summary about the problems occurred in the simulation have been made and suggestions and outlooks of the future development and improvement of the virtual prototype technology of the electric vehicle have been proposed Simulate analysis and research in this paper processes a significant propel effect in the research and development of the electric scooter Calculation results processes a certain guiding meaning to the adjustment of the prototype of the electric scooter Human machine electric integrated system proposed in this paper processes a profound reference value to the design of the products and optimize of the parameters Keywords electric scooter human machine electric integrated system dynamic characteristics PID co simulation IV 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 III 1 緒論 1 1 1 論文研究背景與意義 1 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 1 1 2 1 電動(dòng)代步車(chē)國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 1 1 2 2 電動(dòng)代步車(chē)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 3 1 3 論文研究的主要方法和內(nèi)容 4 2 電動(dòng)代步車(chē)機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 7 2 1 多剛體動(dòng)力學(xué)理論概述 8 2 2 輪胎模型的建立與參數(shù)的選取 9 2 3 路面譜的建立 11 3 電動(dòng)代步車(chē)人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型建立與分析 15 3 1 人 椅模型的建立與動(dòng)力學(xué)分析 15 3 1 1 人體動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置 15 3 1 2 人椅系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建與分析 17 3 2 電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)系統(tǒng)模型的建立與支架的模態(tài)分析 20 3 2 1 支架柔性體中性文件的建立 20 3 2 2 電動(dòng)代步車(chē)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化與建立 22 3 2 3 人機(jī)系統(tǒng)模型的建立與參數(shù)選取 22 3 3 電動(dòng)代步車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的建立 24 3 3 1 機(jī)電耦合仿真模型的原理 24 3 3 2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真模型的建立 25 3 3 3 PWM 電樞電壓控制的 Simulink 仿真模型的建立 27 3 4 ADAMS MATLAB 聯(lián)合仿真模型 30 3 4 1 ADAMS Matlab 聯(lián)合仿真模型的創(chuàng)建過(guò)程 31 3 4 2 聯(lián)合仿真模型的調(diào)試方法及注意事項(xiàng) 34 3 4 3 聯(lián)合仿真模型的封裝 34 目 錄 V 4 電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真與分析 37 4 1 電動(dòng)代步車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真分析 37 4 1 1 爬坡性能仿真分析 37 4 1 2 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真分析 39 4 1 3 轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析 43 4 1 4 蛇形仿真分析 45 4 2 電動(dòng)代步車(chē)平順性仿真分析 47 4 2 1 隨機(jī)路面的仿真分析 47 4 2 2 脈沖路面的仿真分析 51 4 2 3 凹坑路面的仿真分析 53 4 2 4 臺(tái)階路面的仿真分析 56 4 3 本章小結(jié) 57 5 電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜合系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)聯(lián)合仿真分析 59 5 1 PID 控制及參數(shù)調(diào)整方法 59 5 1 1 PID 控制方法 59 5 1 2 PID 參數(shù)調(diào)整方法 60 5 2 電動(dòng)代步車(chē) PID 控制的速度仿真分析 60 5 3 電動(dòng)代步車(chē) PID 控制的差速轉(zhuǎn)向仿真分析 67 5 4 本章小結(jié) 71 6 總結(jié)與展望 73 6 1 全文總結(jié) 73 6 2 下一步的工作展望 73 致 謝 75 參考文獻(xiàn) 76 1 緒論 1 1 緒論 1 1 論文研究背景與意義 近年來(lái)小汽車(chē)不斷進(jìn)入千家萬(wàn)戶 我國(guó)同世界其它發(fā)達(dá)國(guó)家一樣 汽車(chē)社會(huì) 時(shí)代到來(lái)的同時(shí) 也產(chǎn)生了一系列重大的社會(huì)問(wèn)題 各大城市交通擁堵 停車(chē)?yán)?難 交通事故頻發(fā) 廢氣排放和噪聲污染嚴(yán)重 原油價(jià)格不斷升高等 面向未來(lái) 安全 節(jié)能 環(huán)保將仍然是汽車(chē)研究的三大主題 因此交通運(yùn)輸 十二五 發(fā)展 規(guī)劃明確指出 建設(shè)資源節(jié)約型 環(huán)境友好型社會(huì)是我國(guó)一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù) 汽車(chē)輕量化是綜合實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一 研究表明 約 75 的油耗 與整車(chē)質(zhì)量有關(guān) 降低汽車(chē)質(zhì)量就可以降低油耗以及排放 汽車(chē)質(zhì)量每下降 10 油耗下降 8 排放下降 4 汽車(chē)質(zhì)量的減少 會(huì)減小動(dòng)力及其傳動(dòng)系統(tǒng) 的負(fù)荷 因此可降低油耗 油耗下降又意味著二氧化碳 CO 2 氮氧化物 NO X 等有害氣體排放的下降 由此可見(jiàn) 汽車(chē)輕量化 1 意義明顯 受到業(yè)界和政府高 度重視 是汽車(chē)研究發(fā)展的重要方向 汽車(chē)微型化又顯然是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要途徑 另外 微型化可減少迎風(fēng)面積 降低汽車(chē)行駛時(shí)的空氣阻力 能節(jié)省大量材料以及行車(chē)和駐車(chē)的交通空間 所以 根據(jù)用途不同 對(duì)乘坐和載運(yùn)空間需求較小的交通場(chǎng)合應(yīng)該盡量減小汽車(chē)尺寸 以減少浪費(fèi) 實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排 隨著政府對(duì)節(jié)能減排的政策調(diào)控力度不斷增強(qiáng) 城 市化交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)和完善 人們環(huán)保意識(shí)提高和消費(fèi)觀念進(jìn)步 可 以預(yù)見(jiàn) 未來(lái)私人交通領(lǐng)域中 當(dāng)需要家人集體出行時(shí) 將采用多人座轎車(chē) 而 在中青年人上下班出勤和老年人 家庭主婦的生活通行時(shí) 則采用雙人甚至單人 座的超微型小汽車(chē) 因此 未來(lái)輕量化 微型化汽車(chē)發(fā)展具有很大的市場(chǎng)空間 國(guó)家政府也大力 支持和倡導(dǎo)微型汽車(chē)的研究發(fā)展 2 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 1 2 1 電動(dòng)代步車(chē)國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀 電動(dòng)代步車(chē)在國(guó)外已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展歷史 在電動(dòng)代步車(chē)主要零部件的 基礎(chǔ)研究 關(guān)鍵零部件動(dòng)力學(xué)分析 不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的分析以及整車(chē)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè) 計(jì)研究等方面 計(jì)算機(jī)的虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)相當(dāng)深入和廣泛 積累了豐富 的經(jīng)驗(yàn)和大量的數(shù)據(jù)資料 并成功地應(yīng)用到了電動(dòng)代步車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中 使得所 生產(chǎn)的電動(dòng)代步車(chē)在結(jié)構(gòu)的可靠性和對(duì)乘員的保護(hù)方面都處于領(lǐng)先水平 最早研 究電動(dòng)代步車(chē)的法國(guó)人把電動(dòng)代步車(chē)分為 A B C 三類(lèi) 3 室內(nèi)使用為 A 類(lèi) 2 室內(nèi)外兩用為 B 類(lèi) 室外使用為 C 類(lèi) 將操縱加速度 速度 制動(dòng) 動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定 性和碰撞損傷進(jìn)行綜合考慮 現(xiàn)在 采用最新的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的法國(guó)動(dòng)代步車(chē) 操縱起來(lái)更加輕巧 靈活 并且實(shí)現(xiàn)大的輕量化設(shè)計(jì) 在整車(chē)設(shè)計(jì)上 安裝了可 調(diào)裝置 電動(dòng)車(chē)可以在高度 長(zhǎng)度 寬度上都可以分別進(jìn)行調(diào)節(jié) 并且可以折疊 使代步車(chē)的存放 攜帶變得簡(jiǎn)單 方便 當(dāng)我國(guó)發(fā)明家剛剛邁入為老年人生產(chǎn)舒適 方便的代步工具的初步階段 4 時(shí) 國(guó)外的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平 例如 2004 年 Shoprider 推出的新產(chǎn)品 TF 888WL 該車(chē)擁有全球首創(chuàng)四輪避震系統(tǒng) 并榮獲世界專(zhuān)利 充滿創(chuàng)意的人 性化設(shè)計(jì)包括 車(chē)輛可自轉(zhuǎn) 360 度 左右邊操控組可相互對(duì)調(diào)等 在開(kāi)發(fā)制造車(chē) 身的過(guò)程中完全秉承了人機(jī)工程學(xué)的原理 由于采用內(nèi)建式充電器 因此 為用 戶提供了非常順暢 平穩(wěn)的行車(chē)速度 5 在研究方法上 在汽車(chē)行業(yè)廣泛運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)和 CAE 方法 成為了電動(dòng) 代步車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)最有力的工具之一 1994 年亞利桑那大學(xué)的 T Y Tsang 和 A Arabyan 發(fā)表了便于求解大變形體 動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的新方法 6 西班牙的 A Gonzalez 等設(shè)計(jì)了為電動(dòng)輪椅車(chē)提供在翻越 樓梯和其他障礙時(shí)所需動(dòng)力的前輪機(jī)電系統(tǒng) 試驗(yàn)表明 該系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定 性和實(shí)用性 6 賓夕法尼亞大學(xué)的 Karl T Ulrich 系統(tǒng)地分析了各種電動(dòng)代步車(chē)技 術(shù)的發(fā)展前景 創(chuàng)建了為了實(shí)現(xiàn)某種性能而消耗系統(tǒng)質(zhì)量的模型 對(duì)個(gè)人電動(dòng)代 步車(chē)的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)具有極高的指導(dǎo)意義 7 在我國(guó) 臺(tái)灣地區(qū)的電動(dòng)代步車(chē)已有幾十年的發(fā)展歷史 不但擁有相當(dāng)多的 技術(shù)人才 而且加工制造技術(shù)嫻熟 對(duì)于電動(dòng)車(chē)的發(fā)展來(lái)說(shuō) 已經(jīng)具有良好的前 提條件 此外 臺(tái)灣生產(chǎn)的小型馬達(dá)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 再加上電子和電機(jī)等 配套產(chǎn)業(yè)的崛起 在發(fā)展小型電動(dòng)車(chē)方面潛力十足 Jyh Rong Chou 為了開(kāi)發(fā)各 種電動(dòng)代步車(chē) 建立了人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù) 表現(xiàn)出了較高的技術(shù)水平和人文精神 8 大陸地區(qū)的電動(dòng)代步車(chē)開(kāi)發(fā)起步較晚 主要對(duì)引進(jìn)的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)繪 模仿等 改進(jìn)手段 相對(duì)來(lái)說(shuō) 深入研究電動(dòng)代步車(chē)工作和文獻(xiàn)較少 要想早日趕上國(guó)外 同行的步伐 最行之有效就是采用 CAE 方法 李勇 來(lái)自昆明理工大學(xué) 他帶 領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)老年人用電動(dòng)代步車(chē)的外形設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究 并提出了各種方案 并對(duì)比了它們的優(yōu)劣 9 柯尊鳳 來(lái)自北京科技大學(xué) 她帶領(lǐng)的隊(duì)伍采用虛擬樣 機(jī)方法將某電動(dòng)代步車(chē)的動(dòng)力學(xué)特性 10 進(jìn)行分析改進(jìn) 舒紅宇 重慶大學(xué)教授 他和他的團(tuán)隊(duì)在電動(dòng)代步車(chē)領(lǐng)域研究多年 先后申請(qǐng)了十幾項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利 11 12 并 用虛擬樣機(jī)仿真的方法 13 14 對(duì)電動(dòng)代步車(chē)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析 并將其結(jié)構(gòu) 進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn) 然而 目前電動(dòng)代步車(chē)的計(jì)算機(jī)仿真在國(guó)內(nèi)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 1 緒論 3 雖然在電動(dòng)代步車(chē)的外形 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 關(guān)鍵零部件的動(dòng)力學(xué)研究和計(jì)算機(jī)仿真模 擬方面初步開(kāi)展了一些工作 也取得了一些成績(jī) 但是對(duì)電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜合 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性聯(lián)合仿真分析方面做的比較少 也不夠全面 這方面與國(guó)外的 差距依然很大 1 2 2 電動(dòng)代步車(chē)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 人口老齡化是當(dāng)今社會(huì)所面臨的最嚴(yán)峻的問(wèn)題之一 隨著中國(guó)人口的不斷增 長(zhǎng) 老年人在總?cè)丝谥兴嫉谋壤苍诓粩嘣黾?電動(dòng)代步車(chē)作為一種專(zhuān)為老年 人及殘疾人設(shè)計(jì)的輕便休閑代步工具 已經(jīng)快速發(fā)展起來(lái) 具有非常好的發(fā)展前 景 15 16 17 隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展 使得全球老齡化人口比重持續(xù)增長(zhǎng) 老年人的身 體機(jī)能衰老以及經(jīng)常被慢性疾病困擾 從而愈加依賴于代步工具 這極大地帶動(dòng) 了市場(chǎng)對(duì)電動(dòng)代步車(chē)的需求 例如 美國(guó)市場(chǎng)是電動(dòng)代步車(chē)銷(xiāo)售量最高的國(guó)家 就是因?yàn)樗麄冇休^高的保健支付體系 許多歐洲國(guó)家醫(yī)療保健制度比較完善 人 們的生活水平較高 代步車(chē)的銷(xiāo)量也比較好 由于電動(dòng)代步車(chē)不僅適用于老年人 還適用于有輕度殘疾的人 行動(dòng)不便者等群體 如孕婦和小孩等 因此電動(dòng)代步 車(chē)相對(duì)其它電動(dòng)車(chē)產(chǎn)品來(lái)說(shuō) 能更快速的占據(jù)市場(chǎng) 在此背景下 電動(dòng)代步車(chē)產(chǎn) 品的發(fā)展將越來(lái)越受到世界的注目和青睞 另外 隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展 安全保障設(shè)施不完善 道路擁擠 導(dǎo)致意 外事故發(fā)生頻繁 殘疾人人數(shù)也隨之增多 同時(shí) 21 世紀(jì)初 作為作為一個(gè)發(fā)展 中國(guó)家卻較早的進(jìn)入老齡化社會(huì) 據(jù)國(guó)家相關(guān)部門(mén)的研究與預(yù)測(cè) 20 世紀(jì)末 我 國(guó)人口老齡化的人數(shù)已突破了 10 預(yù)計(jì)未來(lái) 40 年內(nèi) 我國(guó)人口老齡化的人數(shù) 將在 30 左右 達(dá)到人口老齡化的頂峰 因此 針對(duì)老年人和殘疾人這一非常特 殊 龐大的群體 更應(yīng)該得到社會(huì)更多的關(guān)愛(ài) 以便享受高質(zhì)量的生活 因此 迫切需要為他們提供一種操作簡(jiǎn)便 可靠性高的代步工具 從經(jīng)濟(jì)發(fā)展角度出發(fā) 歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電動(dòng)代步車(chē)的需求增加 使得我 國(guó)電動(dòng)代步車(chē)出口量也逐年升高 近五年的復(fù)合平均增長(zhǎng)率達(dá) 65 以上 成為我 國(guó)電動(dòng)車(chē)輛出口主力 由于電動(dòng)代步車(chē)的使用者多為殘疾人或老年人 因此必須 重視車(chē)子的穩(wěn)定性及安全性 從而提高國(guó)產(chǎn)電動(dòng)代步車(chē)的品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 因此 汽車(chē)電動(dòng)化是世界汽車(chē)發(fā)展的主流 具有廣闊研究發(fā)展前景 汽車(chē)電 動(dòng)化技術(shù)也更適宜于汽車(chē)的輕量化與微型化 一方面 尤其是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)小 汽車(chē) 由于沒(méi)有笨重的內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)及其變速傳動(dòng)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 空間設(shè)計(jì)靈 活 更容易實(shí)現(xiàn)輕量化和微型化 另一方面 由于電池容量和一次充電能量以及 高電壓 大電流等的限制 要實(shí)現(xiàn)大功率汽車(chē)運(yùn)行要求 目前的汽車(chē)電動(dòng)化技術(shù) 還存在較大困難 正因如此 世界各國(guó)近年來(lái)在各種汽車(chē)展覽會(huì)上不斷推出各種 4 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷新穎的超微型電動(dòng)概念車(chē)型 其中 特別是專(zhuān)為老年人與殘疾人設(shè)計(jì)的 電動(dòng)代步車(chē)備受矚目 正因?yàn)殡妱?dòng)代步車(chē)輕量化與微型化的特點(diǎn) 將會(huì)是未來(lái)城市化道路交通工具 家庭小轎車(chē)族的重要成員之一 但是 也正因?yàn)槠漭p量化 微型化 在汽車(chē)運(yùn)動(dòng) 穩(wěn)定性和行車(chē)安全性方面將會(huì)面臨新的難題 這是因?yàn)?一旦人體質(zhì)量和大小尺 度均接近甚至大于汽車(chē)以后 人體和汽車(chē)間的動(dòng)力學(xué)行為耦合作用就被顯現(xiàn)出來(lái) 人體的力學(xué)特性 乘坐姿態(tài)的變換行為將對(duì)汽車(chē)行駛的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽 略的影響和作用 1 3 論文研究的主要方法和內(nèi)容 本文研究的主要目的是對(duì)人機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)代步車(chē)的操縱穩(wěn)定性 平順性等動(dòng) 態(tài)特性方面進(jìn)行仿真分析 對(duì)其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和行車(chē)安全性等方面做出合理的評(píng)價(jià) 建立電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜合系統(tǒng) 并對(duì)其加速 差速轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行聯(lián)合仿真分析 調(diào)整 PID 控制參數(shù) 得到最佳控制效果 本文研究的主要內(nèi)容包括 基于多體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論 在 ADAMS 軟件中分別建立了電動(dòng)代步車(chē)的 輪胎 人體 座椅 柔性體支架 路面譜等子模型 并在 ADAMS 計(jì)算環(huán)境下 通過(guò)添加約束的方式 把這些子模型組成一個(gè)整體 從而建立了電動(dòng)代步車(chē)人機(jī) 剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型 在 MATLAB Simulink 平臺(tái)上建立電動(dòng)代步車(chē)永磁無(wú)刷直流電機(jī)模型 并對(duì)電機(jī)的動(dòng)力性能進(jìn)行測(cè)試 通過(guò)軟件間的接口 搭建了 ADAMS MATLAB Simulink 平臺(tái) 將生成的電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型與電機(jī)模型在此平臺(tái) 上進(jìn)行聯(lián)合仿真 從而建立了電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)電綜合系統(tǒng)模型 利用 ADAMS 軟件對(duì)電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿 真分析 并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié) 建立電動(dòng)代步車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案 并對(duì)電動(dòng)代步車(chē)加速和差速轉(zhuǎn)向進(jìn) 行聯(lián)合仿真 調(diào)解 PID 參數(shù) 觀察 PID 控制效果 驗(yàn)證控制方案的正確性 準(zhǔn)確 性 為研發(fā)控制器提供有效數(shù)據(jù) 論文所使用的研究方法如下 靜力學(xué)分析是指系統(tǒng)在不受外載荷作用的情況下的力平衡分析 當(dāng)系統(tǒng)受到 外界載荷作用時(shí) 就就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析 機(jī)械系統(tǒng)在做靜力學(xué) 動(dòng)力學(xué) 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面常用的軟件主要有 以剛體為主要研究對(duì)象的 ADAMS 軟件 以 柔性體為主要研究對(duì)象的 ANSYS MARC 等軟件 前者分析對(duì)象以剛性體模型為主 后者以柔性體模型為主 在工程實(shí)際中 1 緒論 5 為了研究方便 一般的機(jī)械機(jī)構(gòu)做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)一般不考慮其彈性變形 將構(gòu)建 都視為剛體 但實(shí)際實(shí)際過(guò)程中 由于機(jī)構(gòu)往往受到較大的載荷作用 在加速或 減速運(yùn)動(dòng)中 由于慣性的作用 可能某些構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生較大的彈性形變 為了能夠 真實(shí)的反映出機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 往往將大形變的構(gòu)件建立為彈性體 否則的 話可能會(huì)造成很大的誤差 機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性也影響著各構(gòu)件的力學(xué)性能及內(nèi) 部的應(yīng)力 應(yīng)變分布 由于 ADAMS 軟件在參數(shù)建模 有限元網(wǎng)格劃分 控制系 統(tǒng)建模上比較麻煩 所以在做這方面分析時(shí) 一般選擇在有限元前處理和求解上 功能比較強(qiáng)大的 HyperMesh 與 ANSYS 軟件 因此 為了使仿真結(jié)果更真實(shí)可靠 往往將 ANSYS 與 ADAMS 軟件聯(lián)合使用 大大提高工作效率 在控制方面 MATLAB 的控制功能強(qiáng)大 但在有限元網(wǎng)格劃分與機(jī)械系統(tǒng) 仿真等方面卻很不方便 ADAMS 具有雙向數(shù)據(jù)接口 可以把建立好的控制系統(tǒng) 導(dǎo)入到 ADAMS 中 進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析 將不同軟件的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合 能快速有效的驗(yàn)證控制算法 為了系統(tǒng)能順利的進(jìn)行仿真 必須要將各軟件聯(lián)合使用 ADAMS ANSYS 的數(shù)據(jù)接口 ANSYS 對(duì)構(gòu)件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分 生 成模態(tài)中性文件 mnf 文件 可以通過(guò) ADAMS 的 Flex 將 mnf 文件導(dǎo)入 ADAMS 中 從而就可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析 提高系統(tǒng)仿真的精度 ADAMS Matlab 聯(lián)合仿真技術(shù) 利用 ADAMS Control 把 Matlab Simulink 與 ADAMS 模塊連接在一起進(jìn)行聯(lián)合仿真 此時(shí)受控的物理模型 是可以是線性和非線性的 ADAMS Control 的模塊可以模型轉(zhuǎn)化為 C 或者 Fortran 代碼后導(dǎo)入 Matlab Simulink 中作為廣義狀態(tài)方程 這樣仿真就完全在 Simulink 中進(jìn)行了 這種方法最大的好處就是機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的積分求解器 積分步長(zhǎng) 相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差可以設(shè)為一致 避免了由于積分步長(zhǎng)不一致帶來(lái) 的錯(cuò)誤 大大提高了仿真的效率 本文用 ADAMS 軟件建立了新型電動(dòng)代步車(chē)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型 在 Matlab Simulink 中創(chuàng)建了控制模型 兩個(gè)軟件通過(guò) ADAMS Control 接口進(jìn)行聯(lián) 合仿真 在多種路況下驗(yàn)證控制算法 確定控制參數(shù) 經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試 最終達(dá)到 滿意效果 6 2 電動(dòng)代步車(chē)機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析時(shí) 首先提供一個(gè)便于建立多體系統(tǒng)的力學(xué)模型的 界面 并在系統(tǒng)內(nèi)部由多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型得到動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型 再通過(guò)積分求 解器求解數(shù)學(xué)模型 在求解器的選擇上 效率必須要高 穩(wěn)定性必須要好 并要 求其具有廣泛的適應(yīng)性 最后 還要有豐富的顯示手段來(lái)查詢求解結(jié)果 其中 最關(guān)鍵的部分是自動(dòng)建模技術(shù)和求解器設(shè)計(jì) 自動(dòng)建模技術(shù)是指通過(guò)多體系統(tǒng)力學(xué)模型自動(dòng)建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型過(guò)程的技 術(shù) 設(shè)計(jì)求解器時(shí)則需要結(jié)合系統(tǒng)的模型 求解時(shí)則需要用到特定的動(dòng)力學(xué)算法 一個(gè)機(jī)械系統(tǒng) 從最初建立幾何模型到建立動(dòng)力學(xué)模型 到對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的 求解 到得到最后的分析結(jié)果 其整個(gè)流程如 圖 2 1 所示 圖 2 1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與求解的一般過(guò)程 Fig 2 1 Modeling and solving process of Multi body system dynamics 在計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的整個(gè)過(guò)程之中 建模和求解是兩個(gè)最為主要的 組成部分 建模主要是指數(shù)學(xué)建模和物理建模的過(guò)程 物理建模是指通過(guò)物體的 三維幾何模型建立物體的物理模型的整個(gè)過(guò)程 數(shù)學(xué)建模是指在建立好物理模型 的基礎(chǔ)之上 用物理模型建立數(shù)學(xué)模型的整個(gè)過(guò)程 幾何模型的建立可以利用動(dòng) 力學(xué)分析系統(tǒng)的幾何模塊 也可以利用通用的 3D 幾何造型軟件 模型建立后 可以在動(dòng)力學(xué)分析軟件中對(duì)其施加動(dòng)力學(xué)約束 驅(qū)動(dòng)約束 力元等物理模型中所 必須的要素 從而形成物理模型以表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)模型 在建立物理建模的整個(gè)過(guò) 程中 有時(shí)要通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)的約束和物體最初的位置等條件對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行 2 電動(dòng)代步車(chē)機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 7 裝配 對(duì)物理模型采用笛卡爾坐標(biāo)或拉格朗日坐標(biāo)建模方法 應(yīng)用自動(dòng)建模技術(shù) 生成各系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的各系數(shù)矩陣 得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用 求解器中的靜平衡 動(dòng)力學(xué) 運(yùn)動(dòng)學(xué)或逆向動(dòng)力學(xué)的分析算法 迭代求解 得到 仿真結(jié)果 聯(lián)系設(shè)計(jì)目標(biāo) 對(duì)求解結(jié)果再進(jìn)行分析 從而反饋到物理建模 幾何 建模過(guò)程 如此反復(fù) 直到得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果 2 1 多剛體動(dòng)力學(xué)理論概述 虛擬樣機(jī)比較全面的體現(xiàn)了多種不同的技術(shù) 多體動(dòng)力學(xué) 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的理 論及其技術(shù)的應(yīng)用都是它的核心部分 多體動(dòng)力學(xué)由多剛體動(dòng)力學(xué)和多柔體動(dòng)力 學(xué) 18 兩部分組成 是一門(mén)用來(lái)研究多體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué) 研究多剛體動(dòng)力學(xué)的主要方法 19 有 旋量方法 旋量方法也被稱(chēng)作牛頓 歐拉法 其主要特點(diǎn)是引入旋量這一概念 將矢量 與矢量矩相結(jié)合 并利用對(duì)偶數(shù)作為工具 用簡(jiǎn)明的表達(dá)方式表達(dá) N E 方程 從而使其在由開(kāi) 閉鏈空間組成的機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析中得到了十分廣泛 的應(yīng)用 拉格朗日方程法 多剛體系統(tǒng)由于在建立動(dòng)力學(xué)方程時(shí)十分復(fù)雜 采用 Langrage 坐標(biāo)特別困難 而采用笛卡兒廣義坐標(biāo)就要相對(duì)方便的多 不論是對(duì)于多余坐標(biāo)的完整約束系統(tǒng) 還是對(duì)于多余坐標(biāo)的非完整約束系統(tǒng) 一種比較規(guī)范的處理方法是用帶乘子的拉 氏方程處理 導(dǎo)出的以笛卡爾廣義坐標(biāo)為變量的動(dòng)力學(xué)方程 是與廣義坐標(biāo)數(shù)目 相同的帶乘子的微分方程 還需要補(bǔ)充廣義坐標(biāo)的代數(shù)約束方程才能封閉 R W 方法 美國(guó)的 R L Roberson 教授與德國(guó)的 J Wittenburg 教授提出 R W 方法 是分析多剛體系統(tǒng)較為普遍的方法 該方法的主要是利用數(shù)學(xué)工具和圖論的概念 來(lái)闡述多剛體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 把剛體間的相對(duì)位移選做廣義坐標(biāo) 推導(dǎo)出普遍形式 的動(dòng)力學(xué)方程適合多于任意的剛體系統(tǒng) 凱恩方法 凱恩方法是用廣義速率描來(lái)述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況 根據(jù)達(dá)朗貝爾原理創(chuàng)建動(dòng)力 學(xué)方程 并把矢量力與達(dá)朗貝爾慣性力投影到基矢量方向 從而消除掉理想的約 束力 變分方法 變分方法是與凱恩方法不同的另一種全新分析方法 變分方法的基本原理是 高斯最小拘束原理 該方法善于與控制系統(tǒng)的優(yōu)化相結(jié)合來(lái)綜合分析 而且因?yàn)?8 其不受鉸約束數(shù)目的影響 可以用于有多個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng) 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的優(yōu)點(diǎn) 通用性強(qiáng) 應(yīng)用廣泛 不同類(lèi)型的復(fù)雜系統(tǒng)都能用同一個(gè)方程式進(jìn)行分 析 只需簡(jiǎn)單的操縱計(jì)算機(jī)就能完成建模 對(duì)于大位移的構(gòu)件也可以用該理論分析計(jì)算 能夠很好的解決非線性的 問(wèn)題 使計(jì)算結(jié)果更理想 模型精度高 只需對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作 系統(tǒng)就能生成多剛體動(dòng)力學(xué)的模 型 所以不必考慮推導(dǎo)公式的難易程度 所以能夠建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)方程 使仿 真結(jié)果更符合實(shí)際 2 2 輪胎模型的建立與參數(shù)的選取 輪胎是電動(dòng)代步車(chē)重要組成部件 它的基本作用是支撐整車(chē)質(zhì)量 傳遞制動(dòng) 力矩和驅(qū)動(dòng)力矩 輪胎必須具有諸如低滾動(dòng)阻力 耐久性 抗磨性 安全性等各 種各樣的性能和特點(diǎn) 從而保證車(chē)與路面的良好附著性能 保證車(chē)的正確的行駛 方向 此外還有緩沖減震的作用 減少?zèng)_擊 衰減振動(dòng) 另外 由于輪胎的不均 勻性以及輪胎的不平衡性 在車(chē)行駛過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng) 因此 輪胎模型建立 和參數(shù)的選取至關(guān)重要 也是進(jìn)行電動(dòng)代步車(chē)動(dòng)態(tài)特性仿真分析的十分重要的環(huán) 節(jié) ADAMS VIEW 提供如下幾種輪胎模型 DELFT 輪胎模型 SMITHERS 輪 胎模型 FIALA 輪胎模型 UA 輪胎模型和用戶自定義輪胎模型 20 21 其中 UA 輪胎模型 FIALA 輪胎模型及用戶自定義輪胎模型是解析模型 DELFT 輪胎模型 SMITHERS 輪胎模型為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?每個(gè)輪胎模型的優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍如 表 2 1 所示 表 2 1 ADAMS 中的輪胎模型 Table 2 1 Tire model in ADAMS 輪胎類(lèi)型 所需參數(shù) 應(yīng)用 FIALA 基本輪胎特性 操縱性 純滑移 UA 基本輪胎特性 操縱性 復(fù)合滑移 SMITHERS 試驗(yàn)參數(shù) 操縱性 純滑移 DELFT 試驗(yàn)參數(shù) 操縱性 復(fù)合滑移 用戶自定義 用戶設(shè)定 用戶確定 基于以上幾種輪胎模型的優(yōu)缺點(diǎn) 本文最終選取的是 FIALA 輪胎模型 在 2 電動(dòng)代步車(chē)機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 9 ADAMS VIEW 中 FIALA 輪胎模型是在下面四個(gè)假設(shè)之下的 與路面的接觸區(qū)域?yàn)榫匦?忽略外傾角對(duì)輪胎力的影響 忽略輪胎松弛效應(yīng)的影響 在接觸區(qū)域內(nèi)壓力均勻分布 在輪胎與路面接觸的過(guò)程中 采用了以下兩種方法 當(dāng)選擇三維路面時(shí) 采 用三維方法 當(dāng)選擇二維路面時(shí) 采用點(diǎn)追隨法 所謂點(diǎn)追隨法就是假設(shè)在輪胎 和路面之間只有一個(gè)接觸點(diǎn) 該接觸點(diǎn)是輪胎平面與路面交叉線相切的點(diǎn) 因此 輪胎在仿真的過(guò)程中 輪胎接觸力方向始終與路面垂直 由于理論的原因 點(diǎn)追 隨法不能得到正確的縱向力曲線 而選擇三維路面時(shí) 接觸點(diǎn)不是一個(gè)單一的點(diǎn) 而是一個(gè)區(qū)域 得到輪胎等效的接觸點(diǎn)和垂直撓度 軟件就會(huì)將輪胎自動(dòng)默認(rèn)圓 柱體 因此后面所建立的路面都采用三維路面 具體輪胎特性參數(shù) 22 如 表 2 2 所示 表 2 2 輪胎特性參數(shù) Table 2 2 Characteristics parameters of tire 參數(shù)名稱(chēng)和單位 前輪參數(shù)數(shù)值 前 后 車(chē)前后輪自由半徑 mm 100 80 輪胎斷面寬 mm 60 50 扁平率 0 45 徑向剛度 N mm 300 縱向滑移剛度 N mm 10000 側(cè)偏角剛度 N rad 1200 外傾角剛度 N rad 800 徑向阻尼系數(shù) 0 75 滾動(dòng)阻力矩系數(shù) 0 015 靜摩擦系數(shù) 0 85 動(dòng)摩擦系數(shù) 0 95 質(zhì)量 kg X Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2kgm Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2 1 5594 55 1814 30 9990 26 3210 56 在 ADAMS 中 輪胎文件都有其固定的格式 在創(chuàng)建輪胎文件之前務(wù)必要了 10 解文件的格式 FIALA 輪胎文件分為 6 個(gè)數(shù)據(jù)塊 結(jié)合本文輪胎的具體參數(shù) 即 可編制輪胎文件 并要把文件保存為 tir 格式 之后 點(diǎn)擊力庫(kù)的輪胎 TIRE 系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)創(chuàng)建輪胎模型的對(duì)話框 填寫(xiě)輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量 并按照提示 調(diào)用需要的輪胎文件盒路面文件 并選擇一個(gè) MARKER 點(diǎn)作為輪胎的連接點(diǎn) 且將該點(diǎn)的 Z 軸定義為輪胎旋轉(zhuǎn)方向 輸入輪胎的質(zhì)量 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的等信息 即 可創(chuàng)建所需輪胎模型 2 3 路面譜的建立 在很多工程分析中 介紹許多生成路面不平度時(shí)域模型的方法 濾波白噪聲 生成法 線性濾波法 基于有理函數(shù) PSD 模型的離散時(shí)間隨機(jī)序列生成法 根 據(jù)隨機(jī)信號(hào)的分解性質(zhì)所推演的諧波疊加法 也稱(chēng)頻譜表示法 以及基于冪函 數(shù)功率譜的快速 Fourier 逆變換生成法等 23 24 25 在以上的方法中 諧波疊加法 26 是比較常用的方法之一 非常適用于生成國(guó) 際標(biāo)準(zhǔn)路譜時(shí)域模型 雖然諧波疊加法有計(jì)算量較大的缺點(diǎn) 但是該方法理論嚴(yán) 密 算法簡(jiǎn)便 是非常好的頻域模型轉(zhuǎn)換方法 因此 本文用諧波疊加法創(chuàng)建隨 機(jī)路面頻域模型 不平的路面是由一系列三角形單元組合成的一個(gè)三維表面 原理圖如圖 2 5 所示 數(shù)字 1 2 3 等表示節(jié)點(diǎn) Node 編號(hào) 這些節(jié)點(diǎn)的 x y 坐標(biāo)都滿足一 定的規(guī)律 z 坐標(biāo)用來(lái)表示路面的寬度 由這些節(jié)點(diǎn)有規(guī)律的組成路面單元 Element 再在路面文件里設(shè)置靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù) 這樣一來(lái)就能模擬 真實(shí)的路面 圖 2 2 路面生成原理 2 電動(dòng)代步車(chē)機(jī)械系統(tǒng)模型的建立與分析 11 Fig 2 2 Schematic diagram of ground creating 由于需要搭建不同的實(shí)驗(yàn)路面 所以要建立許多自定義節(jié)點(diǎn) 在 ADAMS car 里面有很多 2D 路面譜 將里面的參數(shù)按照模板修改以后 可以生成所需要的路 面 但是顯示不出來(lái) 仿真的時(shí)候很不直觀 測(cè)量結(jié)果有些也不真實(shí) 所以 創(chuàng) 建所需要的 3D 路面譜非常必要 創(chuàng)建路面的步驟 在三維軟件 solidworks 中建立路面 3D 模型 注意坐標(biāo)系的選取 將路面模型導(dǎo)入 ansys 中 選擇合適的單元類(lèi)型和尺寸 對(duì)路面進(jìn)行網(wǎng) 格劃分 并通過(guò) List NODE Listing 獲取路面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的坐標(biāo)信息 用路面譜模型文件生成路面坐標(biāo)點(diǎn) 將 中生成的坐標(biāo)點(diǎn)替換 中的坐標(biāo)點(diǎn) 則路面創(chuàng)建完成 利用上述方法 得到以下幾種路面譜 如 圖 2 3 圖 2 6 所示 圖 2 3 臺(tái)階路面譜 Fig 2 3 Spectrum of steps road 圖 2 4 凹坑路面譜 Fig 2 4 Spectrum of dented road 12 圖 2 5 脈沖路面 Fig 2 5 Spectrum of pulse road 圖 2 6 斜坡路面 Fig 2 6 Spectrum of slope road 本文在第四章 第五章將利用生成的路面譜對(duì)電動(dòng)代步車(chē)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿 真分析 3 電動(dòng)代步車(chē)人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立與分析 13 3 電動(dòng)代步車(chē)人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型建立與分析 3 1 人 椅模型的建立與動(dòng)力學(xué)分析 本文中由于電動(dòng)代步車(chē)的質(zhì)量與人體質(zhì)量相差不是很大 所以 在研究電動(dòng) 代步車(chē)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)候 不能忽略人體對(duì)電動(dòng)代步車(chē)性能的影響 這樣一來(lái) 在 考慮人機(jī)相互接觸 相互作用的時(shí)候 人椅模型的簡(jiǎn)化與建立就成為了本文的關(guān) 鍵問(wèn)題 人椅模型的復(fù)雜程度 參數(shù)的選取關(guān)系到聯(lián)合仿真精度和速度 所以合 理的 適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化人椅模型至關(guān)重要 3 1 1 人體動(dòng)力學(xué)模型的創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置 人體是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的生物動(dòng)力學(xué)系統(tǒng) 因此在研究其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過(guò)程當(dāng)中 從某一主要方面研究它的力學(xué)特性 要盡量將模型簡(jiǎn)化 本文中的簡(jiǎn)化方法是將 人體的主要肢體結(jié)構(gòu)視為剛體 把人體模型簡(jiǎn)化成由若干個(gè)剛體組成的人體數(shù)學(xué) 模型 可視為一個(gè)多自由度的剛體振動(dòng)系統(tǒng) 為了在虛擬環(huán)境中模擬人體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng) 首先就是要建立合適的人體模型 人體的外部結(jié)構(gòu)主要是由人體的骨骼和附著在骨骼上的肌肉組成的 人體運(yùn)動(dòng)仿 真系統(tǒng)的模型通常采用的是漢納范 Hanavan 模型 27 將人體結(jié)構(gòu)分為 13 段 由 頭 上軀干 下軀干 左上臂 左下臂 右上臂 右下臂 左大腿 右大腿 左 小腿 右小腿 左腳 右腳組成 各段之間用運(yùn)動(dòng)副連接 為了簡(jiǎn)化模型 在建 立人體動(dòng)力學(xué)模型的時(shí)候有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng) 人體的每一段都為同一勻質(zhì)材料 不可變形的剛體 各段之間都用運(yùn)動(dòng) 副相連接 忽略各段剛體間運(yùn)動(dòng)副處的阻尼 為了研究問(wèn)題的方便 忽略一些次要因素的影響 減少模型的自由度 主要考察人體質(zhì)心處垂向 縱向 側(cè)向 俯仰 橫擺等方面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 基于以上幾點(diǎn) 得到人體幾何模型如 圖 3 1 所示 14 圖 3 1 人體動(dòng)力學(xué)模型 Fig 3 1 Dynamic model of human body 對(duì)于人體建模的幾何數(shù)據(jù) 可以通過(guò)很多方法 28 29 取得 一般有兩種方法 一種是直接測(cè)量法 即通過(guò)直接測(cè)量得到人體各部分的數(shù)據(jù) 對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何模 型 比較直觀 方便 但對(duì)于復(fù)雜的模型 有時(shí)需要借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)器材才能測(cè) 得 成本比較高 另一種方法是圖像反求法 通過(guò)圖像 光照等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技 術(shù) 運(yùn)用專(zhuān)業(yè)軟件求的模型的幾何尺寸等參數(shù) 這種方法成本低 也比較方便 表 3 1 人體主要部分的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Table 3 1 Mass and rotary inertia of the main parts of human body 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2Kgm部位 質(zhì)量 kg xlylzl 頭 5 36385 2 30668 2 26014 1 上軀干 24 5 598362 7 416314 0 364186 7 下軀干 10 105233 3 101823 4 45481 5 上臂 2 17571 3 15456 0 4691 4 下臂 1 12742 6 12580 7 669 0 大腿 5 5 84496 3 83269 0 19147 1 小腿 3 34530 7 34145 0 5935 3 腳 1 6065 7 5728 1 898 5 3 電動(dòng)代步車(chē)人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立與分析 15 本文主要采用直接測(cè)量的方法 對(duì)人體的各個(gè)部分的幾何尺寸和物理屬性進(jìn) 行了測(cè)量 30 按照人體工程學(xué)的要求 得到了我國(guó)成年人人體尺寸的數(shù)據(jù) 如表 3 1 所示 但由于電動(dòng)代步車(chē)主要針對(duì)老年人設(shè)計(jì)的 為了使設(shè)計(jì)的電動(dòng)代步車(chē) 滿足體型較大的人使用 選擇尺寸比較大的人體作為研究對(duì)象 以觀察車(chē)的動(dòng)態(tài) 特性 3 1 2 人椅系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建與分析 在人 椅環(huán)境中 人坐在座椅上 振動(dòng)通過(guò)座椅 臀部和后背等傳給人體 激起人體的局部或全身振動(dòng) 當(dāng)振動(dòng)的激勵(lì)頻率接近人體主要器官的固有頻率時(shí) 將會(huì)發(fā)生共振而產(chǎn)生相對(duì)位移 從而使人體感到不舒適 嚴(yán)重時(shí)將會(huì)損害人體健 康 因此 座椅的動(dòng)態(tài)舒適性是研究人椅系統(tǒng)的最終目的 座椅的動(dòng)態(tài)舒適性是 指座椅動(dòng)態(tài)過(guò)程中受到各種振動(dòng)激勵(lì) 最終傳給人體的振動(dòng)強(qiáng)度是否在舒適界限 之內(nèi) 以及人體感覺(jué)舒適的程度 研究人椅系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)舒適性主要目的是建立合 適的人椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 在此基礎(chǔ)上 研究振動(dòng)對(duì)人體的生理反應(yīng) 目前 國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)座椅的動(dòng)態(tài)舒適性的研究很多 也很全面 一般比較常 用的主要是一 三 四和七自由度參數(shù)的人椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 31 32 33 然后優(yōu)化 座椅舒適性的剛度 阻尼等物理參數(shù) 使其模型達(dá)到滿意的舒適度 由于這些模 型都只考慮垂直方向的振動(dòng) 而沒(méi)有考慮水平方向的振動(dòng)輸入 本文的人椅模型 比較復(fù)雜 既要考慮垂直振動(dòng)又要考慮座椅靠背對(duì)人體水平方向的振動(dòng) 這已基 本滿足人椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)態(tài)舒適性的要求 從研究的目的出發(fā) 簡(jiǎn)化模型 從而更好的用來(lái)指導(dǎo)座椅的舒適性設(shè)計(jì) 本文根據(jù)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論 為了滿足人體振動(dòng)舒適性研究的要求 將人 椅系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化為三剛體九自由度模型 34 如 圖 3 2 所示 該簡(jiǎn)化模型的三個(gè)剛 體為 臀部和下身質(zhì)量 軀干和臂的上身質(zhì)量 頭部質(zhì)量 1m2m3 分別為質(zhì)量點(diǎn)的位移分量 每個(gè)剛體都有 3 個(gè)自由度1S23 即在 xy 平面上的 2 個(gè)平動(dòng)和 1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng) 和 之間以及 和xzq12 之間通過(guò)具有彈性和阻尼特性的鉸 與 連接 由于腳部輸入的振動(dòng)激勵(lì)比3mP2 較小 因此忽略了腳部的振動(dòng)輸入 每個(gè)剛體在 XZ 平面上的位移表達(dá)式為 3 1 11 Trxz 22 Trxz 33 Trxz 16 a1m2m3S2SS1 xzq xz3 xzq0 P2Pq 圖 3 2 電動(dòng)代步車(chē)三剛體九自由度人體動(dòng)力學(xué)模型 Fig 3 2 Three rigid nine DOF human body dynamics model of electric scooter 座椅的輸入變量為 00 Trxz 剛體的變換矩陣為 3 2 11 cosinAiq 3 3 222 i sis 3 4 333 coiniq 上身和下身之間 頭和上體之間的彈性體都可以看做集總平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的彈簧 2 個(gè)剛體之間的位移可以表示為 3 5 11 1212pplrAs 3 6 2 33 兩個(gè)連接點(diǎn)處彈簧力和阻尼力為 3 7 111212 2200t rtfxkcllz 3 8 22323 323t rt fll 式中 和 是彈簧剛度 和 是阻尼系數(shù) 在座墊選取一個(gè)接觸點(diǎn)1tkt 1rc2 3 電動(dòng)代步車(chē)人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立與分析 17 用來(lái)表示臀部的運(yùn)動(dòng) 在靠墊上選取一個(gè)接觸點(diǎn) 用來(lái)描述后背的運(yùn)動(dòng) 接觸1q 2q 點(diǎn)的作用力都簡(jiǎn)化成彈簧和阻尼 如 圖 3 3 所示 2 個(gè)接觸點(diǎn)的彈簧力和阻尼力 可以寫(xiě)成 那么三剛體的運(yùn)動(dòng)平衡方程可以寫(xiě)成 112Tqqff 3 9 11211qfxfmzzIn 3 10 2223212qfxffxzzInq 3 11 332mxfzzI a2mxz23m 11 trkc2 trkc 圖 3 3 電動(dòng)代步車(chē)三剛體九自由度人椅動(dòng)力學(xué)模型 Fig 3 3 Three rigid nine DOF human chair dynamics model of electric scooter 基于人椅數(shù)學(xué)模型 用 Solidworks 三維軟件建立人椅的幾何實(shí)體模型 然后 按照人乘坐的方式將人椅幾何模型裝配在一起 然后 導(dǎo)入到 ADAMS 中 把人 體各部分結(jié)構(gòu)都視為剛體 剛體與剛體之間用固定副 旋轉(zhuǎn)副等運(yùn)動(dòng)副相連 座 椅模型作為一個(gè)獨(dú)立的剛體與電動(dòng)代步車(chē)固結(jié)在一起 在人椅動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中 為 了建立更加精確的模型 人體的臀部 后背 腳和手臂均和座椅相接觸并施加相 18 互作用力 通過(guò)添加彈簧和阻尼來(lái)模擬人和座椅之間的接觸 從而完成人椅動(dòng)力 學(xué)建模 3 2 電動(dòng)代步車(chē)人機(jī)系統(tǒng)模型的建立與支架的模態(tài)分析 3 2 1 支架柔性體中性文件的建立 采用 ANSYS 軟件對(duì)電動(dòng)代步車(chē)兩個(gè)支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分 由于電動(dòng)代步車(chē)的 行駛速度較小 對(duì)車(chē)子的平順性影響較小 再加上電動(dòng)代步車(chē)簡(jiǎn)化了支架結(jié)構(gòu) 因此本文用 solid45 單元對(duì)支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分 35 支架的連接點(diǎn)處用沒(méi)有屬性的 剛性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬 支架的材料屬性定義為 彈性模量 密度 210EMpa 泊松比 3790 kgm 0 3 圖 3 4 后支架與座椅的連接點(diǎn) Fig 3 4 Connections between rear bracket and chair 圖 3 5 后支架有限元模型 Fig 3 5 Finite element model of rear bracket 在 ADAMS 中 要用柔性體替代剛性體 就必須定義連接點(diǎn)與剛性區(qū)域 根 3 電動(dòng)代步車(chē)人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立與分析 19 據(jù)電動(dòng)代步車(chē)的結(jié)構(gòu)確定了前后支架各有 4 個(gè)連接點(diǎn) 例如 后支架與座椅的一 個(gè)連接點(diǎn)如 圖 3 4 用 solid45 單元與周?chē)墓?jié)點(diǎn)相連接 4 個(gè)連接點(diǎn)分別為 前 后 支架與座椅兩個(gè)結(jié)合點(diǎn) 前 后 支架與驅(qū)動(dòng)輪軸 惰性輪軸 的結(jié)合點(diǎn) 建立的有限元模型如 圖 3 5 所示 ADAMS 是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛 比較成熟的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件 軟件 中也有 ADAMS Flex 柔性體分析模塊 提供了 ADAMS 與 ANSYS 等有限元軟件 之間的數(shù)據(jù)交換接口 ADAMS Flex 模塊的作用是用模態(tài)柔性表示物體的彈性 把模態(tài)集賦予給柔性體 用模態(tài)坐標(biāo)與模態(tài)向量的線性組合來(lái)表示彈性變形 用 該模塊對(duì)包含柔性支架的電動(dòng)代步車(chē)進(jìn)行仿真 不僅能觀察其振動(dòng)狀態(tài) 還可以 較為真實(shí)的模擬電動(dòng)代步車(chē)的動(dòng)態(tài)行駛狀態(tài) 得到的電動(dòng)代步車(chē)的靜平衡分析結(jié) 果如 圖 3 6 所示 利用 ADAMS Flex 模塊能向有限元軟件輸出動(dòng)力學(xué)仿真后的載 荷譜和形變信息 對(duì)柔性體進(jìn)行應(yīng)力 變形以及疲勞壽命的評(píng)估分析與研究 這 樣通過(guò)軟件之間的數(shù)據(jù)交流 使得 ADAMS 軟件處理人機(jī)剛?cè)釞C(jī)械系統(tǒng)時(shí)得到的 仿真結(jié)果更接近真實(shí)數(shù)據(jù) 圖 3 6 電動(dòng)代步車(chē)柔性支架的靜平衡分析 Fig 3 6 Static equilibrium analysis of the flexible bracket of the electric scooter 20 3 2 2 電動(dòng)代步車(chē)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化與建立 由于 ADAMS 建模過(guò)程比較繁瑣 尤其在零件比較多 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況 下更加明顯 所以 常利用三維設(shè)計(jì)軟件 Solidworks 建立三維模型 然后導(dǎo)入 ADAMS 中 在不影響電動(dòng)代步車(chē)的整體性能的前提下 盡量簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型 使其結(jié)構(gòu)更合理更簡(jiǎn)單 能夠大大提高仿真的速度 在此基礎(chǔ)上 對(duì)電動(dòng)代步車(chē) 人機(jī)電綜合系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析 并對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn) 在建立電動(dòng)代步車(chē)動(dòng)力學(xué)模型過(guò)程中 做了如下簡(jiǎn)化 本文主要研究電動(dòng)代步車(chē)在路面上穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向 蛇形行駛等工況下的整車(chē) 動(dòng)態(tài)特性 由于動(dòng)力裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 但對(duì)車(chē)子的性能影響比較小 可 以忽略不計(jì) 在聯(lián)合仿真過(guò)程中 用 Matlab simulink 建立輪轂電機(jī)模型即可 在建立模型時(shí) 除輪胎 支架以外全部看成剛體 由于電動(dòng)代步車(chē)的速 度較低 可以忽略其它結(jié)構(gòu)的變形 大大提高仿真速度 對(duì)于相對(duì)固定的零部件 把它們合并成一個(gè)構(gòu)件 減少模型的約束和自 由度 便于模型的簡(jiǎn)化和管理 也能加快仿真速度 由于電動(dòng)代步車(chē)的質(zhì)量比較小 為了考慮模型仿真的精確性 不能忽略 人體的質(zhì)量 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)因素 因此 建立簡(jiǎn)化后的多剛體動(dòng)力學(xué)人體模型 在本文中 忽略了小部件 如銷(xiāo)釘 軸承 電子線路 螺栓等 的質(zhì)量 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)屬性對(duì)整車(chē)的影響 經(jīng)過(guò)這幾方面的簡(jiǎn)化 雖然對(duì)模型的仿真精度有一定的影響 但是影響比較 小 本文電動(dòng)代步車(chē)的模型主要包括 人體模型 座椅模型 輪胎模型 路面模 型 電機(jī)模型 本文中的電動(dòng)代步車(chē)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有其自身的特點(diǎn) 沒(méi)有傳統(tǒng) 汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 而是在車(chē)的前輪安裝了兩個(gè)輪轂電機(jī) 后輪安裝了兩個(gè)惰性輪 通過(guò)控制輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩 來(lái)改變汽車(chē)的行駛速度和行駛方向 從而達(dá)到 加速和轉(zhuǎn)向的目的 根據(jù)各零部件之間的約束和運(yùn)動(dòng)關(guān)系 添加相應(yīng)的約束 在此過(guò)程中 有一 下幾點(diǎn)注意事項(xiàng) 對(duì)于兩個(gè)構(gòu)件 盡量用一個(gè)運(yùn)動(dòng)副連接 避免出現(xiàn)過(guò)約束情況 這樣可 以減少仿真時(shí)間 添加一個(gè)約束后 仿真一下 檢查有無(wú)錯(cuò)誤 能夠及時(shí)糾正 在對(duì)電動(dòng)代步車(chē)施加作用力之前 可以用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法 檢查其各 構(gòu)件之間的約束關(guān)系是否正確 設(shè)置驅(qū)動(dòng)的時(shí)候 注意選擇構(gòu)件的順序 這樣會(huì)影響驅(qū)動(dòng)的方向 3 2 3 人機(jī)系統(tǒng)模型的建立與參數(shù)選取 建立整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型時(shí) 模型參數(shù)的選取至關(guān)重要 直接關(guān)系到仿真的 3 電動(dòng)代步車(chē)人椅與電機(jī)控制系統(tǒng)模型的建立與分析 21 精度與模型的復(fù)雜程度 模型參數(shù)大致可分為四大類(lèi) 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù) 幾何定位 力學(xué)特性參數(shù) 剛度 阻尼等 質(zhì)量參數(shù) 質(zhì)量 質(zhì)心 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等 外界參 數(shù) 路面譜 風(fēng)力等 獲取模型參數(shù)也有多種方法 其中