用Adams等軟件對汽車進(jìn)行運(yùn)動仿真研究是目前汽車機(jī)構(gòu)設(shè)計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無縫集成的功能強(qiáng)大的三維運(yùn)動與動力學(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)動力、工作阻力等，建立仿真模型，就可以對機(jī)器進(jìn)行運(yùn)動和動力學(xué)分析舊J，為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計、縮短設(shè)計周期提供了一種切實有效的手段和方法。

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

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)向傳動機(jī)構(gòu)的組成和布置分為與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和與獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。本文中討論與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動傳給轉(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)向時車輪與地面的相對滑動盡可能小。

    為了避免汽車轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的附加阻力過大和輪胎磨損太快，要求轉(zhuǎn)向系在汽車轉(zhuǎn)向時，所有車輪均做純滾動而不產(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之間添加移動副Joint：2．，然后在Joint和Joint2之間添加一個耦合，使得方向盤的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向直拉桿的移動按照一定的比例運(yùn)動。移動副Joint2的移動距離根據(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)動范圍，仿真時將報錯。

2．2方向盤轉(zhuǎn)動函數(shù)設(shè)置

    為方向盤2和機(jī)架6之間旋轉(zhuǎn)副Joint設(shè)置一個轉(zhuǎn)動函數(shù)，來控制方向盤的運(yùn)動，轉(zhuǎn)動函數(shù)用COSMOSMotion的表達(dá)式設(shè)置，采用4個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，可以是時間函數(shù)。2個step函數(shù)相加，第2個step函數(shù)的Y值是相對第1個step的增加值，不足絕對值。

    2．3轉(zhuǎn)向仿真分析

    仿真時間設(shè)置為15S，運(yùn)行仿真，方向盤實現(xiàn)以下運(yùn)動(上述4個step函數(shù)相加)：0～2 S，靜止，如圖3(a)；2～4 S，方向盤順時針轉(zhuǎn)動120°，如圖3(b)；4～6 s，靜止；6～8 S，方向盤逆時針轉(zhuǎn)動240°，如圖3(e)；8～10 S，靜止；10～12 S，方向盤順時針轉(zhuǎn)動120°，如圖3(d)；12～15 s，靜止。仿真時間設(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)架的頂點和轉(zhuǎn)動中心，生成一個角位移，左車輪在方向盤轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)動角度變化如圖4所示。同樣，右車輪在方向盤轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)動角度變化如圖5所示。可見，在車輪逆時針轉(zhuǎn)動過程中，左車輪在0～19．4°轉(zhuǎn)動，右車輪卻在O～17．0°轉(zhuǎn)動，順時針轉(zhuǎn)動過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)動機(jī)構(gòu)、地面組成，通過給車輪和路面之間建立三維碰撞關(guān)系，沒置車輪與地面的摩擦，后輪轉(zhuǎn)動，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)動零部件，在后輪的旋轉(zhuǎn)副添加一個運(yùn)動，設(shè)置2后輪為驅(qū)動輪。行駛設(shè)置的要點是將4個車輪和地面之問設(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；碰撞時接觸邊界的穿透深度0．1 mm。為使車輪與地面相對運(yùn)動。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；動摩擦臨界速度町以取10 mm／s，動摩擦因數(shù)取0．3。

    由于3D碰撞的存在，行駛模擬需要較多的計算時間。仿真時間仍然沒置為15 s，仿真計算完成后，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程走過的路徑。

    下面是運(yùn)行過程的幾個片段，圖6(a)是行駛開始位置，圖6(b)是運(yùn)行到4．2 S時的狀況，圖6(C)是運(yùn)行到6．3 S時的狀況，圖6(d)是運(yùn)行到7．1 s時的狀況。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程。

圖6車輛行駛狀況

4 結(jié)束語

    采用SolidWorks及插件COSMOSMotion實現(xiàn)汽車機(jī)構(gòu)三維實體造型、運(yùn)動仿真無縫連接。建立了汽車轉(zhuǎn)向模型，模擬汽車轉(zhuǎn)向的工作過程。通過給汽車方向盤加上分段的轉(zhuǎn)向函數(shù)，經(jīng)過梯形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為前輪的轉(zhuǎn)動，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)動和轉(zhuǎn)向關(guān)系時的行駛過程，通過給輪胎和地面添加三維碰撞接觸和摩擦，實現(xiàn)車輪滾動帶動汽車行駛，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情況等，如果結(jié)合計算機(jī)編制程序二次開發(fā)，可以得到更多的研究結(jié)果。