用Adams等軟件對(duì)汽車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真研究是目前汽車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的主要手段之一，但是，這類仿真軟件學(xué)習(xí)難度較大，建立的仿真模型與工程制圖脫節(jié)，不能直接應(yīng)用到其他三維造型設(shè)計(jì)中，因此，在SolidWorks，UG，Pro／E等主流三維軟件使用者中，采用專門仿真軟件進(jìn)行分析的不多．在目前市場(chǎng)上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是世界銷售套數(shù)最多的3D軟件。COSMOSMotion是以Adams為內(nèi)核，用菜單形式內(nèi)嵌到SolidWorks中，與SolidWorks無(wú)縫集成的功能強(qiáng)大的三維運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)仿真插件。用SolidWorks進(jìn)行零件三維造型和裝配后，進(jìn)人COSMOSMotion，添加約束、驅(qū)動(dòng)力、工作阻力等，建立仿真模型，就可以對(duì)機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析舊J，為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期提供了一種切實(shí)有效的手段和方法。

    本文中通過(guò)SolidWorks建立汽車轉(zhuǎn)向和行駛?cè)S模型，采用COSMOSMotion對(duì)其進(jìn)行仿真模擬。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，本文中對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較大簡(jiǎn)化。

1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

    汽車機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。根據(jù)轉(zhuǎn)向器位置和轉(zhuǎn)向輪懸架類型的不同，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成和布置分為與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和與獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。本文中討論與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳給轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，并使兩轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)按一定的關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)盡可能小。

    為了避免汽車轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的附加阻力過(guò)大和輪胎磨損太快，要求轉(zhuǎn)向系在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，所有車輪均做純滾動(dòng)而不產(chǎn)生側(cè)向滑移，圖l中兩側(cè)車輪偏轉(zhuǎn)角α和β的理想關(guān)系為

圖1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

    因此轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形的幾何參數(shù)需要優(yōu)化，但是，至今所有的汽車的轉(zhuǎn)向梯形都只能設(shè)計(jì)在一定的車輪偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，接近于理想關(guān)系。

    為了模擬的方便，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖2所示，其中：1為左(右)梯形臂；2為方向盤；3為轉(zhuǎn)向直拉桿；4為轉(zhuǎn)向節(jié)臂；5為轉(zhuǎn)向橫拉桿；6為機(jī)架；7為車輪。左(右)梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、機(jī)架組成等腰梯形機(jī)構(gòu)。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型

2 轉(zhuǎn)向仿真

    2．1主要運(yùn)動(dòng)副設(shè)置

    采用SolidWorks建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)入COSMOSMotion進(jìn)行仿真設(shè)置，將機(jī)架設(shè)置為靜止零部件，在方向盤2和機(jī)架6之間添加旋轉(zhuǎn)副Joint；在轉(zhuǎn)向直拉桿3和機(jī)架6之間添加移動(dòng)副Joint：2．，然后在Joint和Joint2之間添加一個(gè)耦合，使得方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向直拉桿的移動(dòng)按照一定的比例運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)副Joint2的移動(dòng)距離根據(jù)不同的初始安裝情況，其值可以不同，若太大則不能達(dá)到運(yùn)動(dòng)范圍，仿真時(shí)將報(bào)錯(cuò)。

2．2方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)函數(shù)設(shè)置

    為方向盤2和機(jī)架6之間旋轉(zhuǎn)副Joint設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)函數(shù)，來(lái)控制方向盤的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)函數(shù)用COSMOSMotion的表達(dá)式設(shè)置，采用4個(gè)step函數(shù)相加：

    step(TIME，0，0D，2，0D)+step(TIME，2，0D，4，-120D)+step(TIME，6，0D，8，240D)+step(TIME，10，0D，12，-120D)

    其中D表示度，若不加D，則為弧度。step函數(shù)格式：step(x，x0，h0，x1，h1)，生成區(qū)間(x0，h0)至(x1，h1)的階梯曲線，互為自變量，可以是時(shí)間函數(shù)。2個(gè)step函數(shù)相加，第2個(gè)step函數(shù)的Y值是相對(duì)第1個(gè)step的增加值，不足絕對(duì)值。

    2．3轉(zhuǎn)向仿真分析

    仿真時(shí)間設(shè)置為15S，運(yùn)行仿真，方向盤實(shí)現(xiàn)以下運(yùn)動(dòng)(上述4個(gè)step函數(shù)相加)：0～2 S，靜止，如圖3(a)；2～4 S，方向盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)120°，如圖3(b)；4～6 s，靜止；6～8 S，方向盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)240°，如圖3(e)；8～10 S，靜止；10～12 S，方向盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)120°，如圖3(d)；12～15 s，靜止。仿真時(shí)間設(shè)置為15 S。所以12 S以后方向盤一直維持最后位置狀態(tài)，直到仿真結(jié)束。

圖3 轉(zhuǎn)向示意圖

    選擇左梯形臂和機(jī)架的頂點(diǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)中心，生成一個(gè)角位移，左車輪在方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化如圖4所示。同樣，右車輪在方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化如圖5所示?？梢姡谲囕喣鏁r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，左車輪在0～19．4°轉(zhuǎn)動(dòng)，右車輪卻在O～17．0°轉(zhuǎn)動(dòng)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的范圍也不相同。

圖4 左車輪轉(zhuǎn)向

圖5 右車輪轉(zhuǎn)向

3 行駛仿真

    汽車行駛模擬模型由車身、前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、后輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、地面組成，通過(guò)給車輪和路面之間建立三維碰撞關(guān)系，沒(méi)置車輪與地面的摩擦，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦力使得汽車行駛。

    將地面設(shè)置為靜止零部件，其余設(shè)置為運(yùn)動(dòng)零部件，在后輪的旋轉(zhuǎn)副添加一個(gè)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置2后輪為驅(qū)動(dòng)輪。行駛設(shè)置的要點(diǎn)是將4個(gè)車輪和地面之問(wèn)設(shè)置為3D碰撞關(guān)系。碰撞具體參數(shù)設(shè)置為：碰撞剛度100000 N／mm；非線性剛度力指數(shù)2．2，接觸邊界的最大阻尼系數(shù)10 N-sec／mm；碰撞時(shí)接觸邊界的穿透深度0．1 mm。為使車輪與地面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。必須設(shè)置車輪與地面的摩擦因數(shù)：靜摩擦臨界速度取0．1 mm／s，靜摩擦因數(shù)O．4；動(dòng)摩擦臨界速度町以取10 mm／s，動(dòng)摩擦因數(shù)取0．3。

    由于3D碰撞的存在，行駛模擬需要較多的計(jì)算時(shí)間。仿真時(shí)間仍然沒(méi)置為15 s，仿真計(jì)算完成后，選擇軌跡跟蹤，生成的輪零件中心的運(yùn)行軌跡，可以觀察前輪行駛過(guò)程走過(guò)的路徑。

    下面是運(yùn)行過(guò)程的幾個(gè)片段，圖6(a)是行駛開始位置，圖6(b)是運(yùn)行到4．2 S時(shí)的狀況，圖6(C)是運(yùn)行到6．3 S時(shí)的狀況，圖6(d)是運(yùn)行到7．1 s時(shí)的狀況。這些圖像很好地顯示出了汽車直線運(yùn)行、轉(zhuǎn)向運(yùn)行以及沖出路面掉下去的全過(guò)程。

圖6車輛行駛狀況

4 結(jié)束語(yǔ)

    采用SolidWorks及插件COSMOSMotion實(shí)現(xiàn)汽車機(jī)構(gòu)三維實(shí)體造型、運(yùn)動(dòng)仿真無(wú)縫連接。建立了汽車轉(zhuǎn)向模型，模擬汽車轉(zhuǎn)向的工作過(guò)程。通過(guò)給汽車方向盤加上分段的轉(zhuǎn)向函數(shù)，經(jīng)過(guò)梯形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為前輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，可用于汽車轉(zhuǎn)向模擬和轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向性能的研究。建立了汽車行駛模型，模擬了汽車在給定驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向關(guān)系時(shí)的行駛過(guò)程，通過(guò)給輪胎和地面添加三維碰撞接觸和摩擦，實(shí)現(xiàn)車輪滾動(dòng)帶動(dòng)汽車行駛，顯示行駛軌跡，觀察車輛的運(yùn)行狀況。進(jìn)一步，還可以通過(guò)仿真模型，觀察汽車的運(yùn)行路徑，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)向函數(shù)，以便避開障礙物。還可以進(jìn)一步建立不同的路面模型，觀察車身的碰撞振動(dòng)情況等，如果結(jié)合計(jì)算機(jī)編制程序二次開發(fā)，可以得到更多的研究結(jié)果。