基于SolidWorks与COSMOSMotion的汽车转向及行驶运动仿真

  用Adams等软件对汽车进行运动仿真研究是目前汽车机构设计分析的主要手段之一，但是，这类仿真软件学习难度较大，建立的仿真模型与工程制图脱节，不能直接应用到其他三维造型设计中，因此，在SolidWorks，UG，Pro／E等主流三维软件使用者中，采用专门仿真软件进行分析的不多．在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是世界销售套数最多的3D软件。COSMOSMotion是以Adams为内核，用菜单形式内嵌到SolidWorks中，与SolidWorks无缝集成的功能强大的三维运动与动力学仿真插件。用SolidWorks进行零件三维造型和装配后，进人COSMOSMotion，添加约束、驱动力、工作阻力等，建立仿真模型，就可以对机器进行运动和动力学分析旧J，为产品的创新设计、缩短设计周期提供了一种切实有效的手段和方法。

    本文中通过SolidWorks建立汽车转向和行驶三维模型，采用COSMOSMotion对其进行仿真模拟。为了使问题简化，本文中对汽车结构进行了较大简化。

1 转向机构

    汽车机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。根据转向器位置和转向轮悬架类型的不同，转向传动机构的组成和布置分为与非独立悬架配用的转向传动机构和与独立悬架配用的转向传动机构。本文中讨论与非独立悬架配用的转向传动机构。转向传动机构是将转向器输出的力和运动传给转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，并使两转向轮偏转按一定的关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

    为了避免汽车转向时产生的附加阻力过大和轮胎磨损太快，要求转向系在汽车转向时，所有车轮均做纯滚动而不产生侧向滑移，图l中两侧车轮偏转角α和β的理想关系为

图1 转向机构

    因此转向传动机构转向梯形的几何参数需要优化，但是，至今所有的汽车的转向梯形都只能设计在一定的车轮偏转角范围内，接近于理想关系。

    为了模拟的方便，转向机构简化为图2所示，其中：1为左(右)梯形臂；2为方向盘；3为转向直拉杆；4为转向节臂；5为转向横拉杆；6为机架；7为车轮。左(右)梯形臂、转向横拉杆、机架组成等腰梯形机构。

图2 转向机构模型

2 转向仿真

    2．1主要运动副设置

    采用SolidWorks建立转向机构模型，进入COSMOSMotion进行仿真设置，将机架设置为静止零部件，在方向盘2和机架6之间添加旋转副Joint；在转向直拉杆3和机架6之间添加移动副Joint：2．，然后在Joint和Joint2之间添加一个耦合，使得方向盘的转动与转向直拉杆的移动按照一定的比例运动。移动副Joint2的移动距离根据不同的初始安装情况，其值可以不同，若太大则不能达到运动范围，仿真时将报错。

2．2方向盘转动函数设置

    为方向盘2和机架6之间旋转副Joint设置一个转动函数，来控制方向盘的运动，转动函数用COSMOSMotion的表达式设置，采用4个step函数相加：

    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，则为弧度。step函数格式：step(x，x0，h0，x1，h1)，生成区间(x0，h0)至(x1，h1)的阶梯曲线，互为自变量，可以是时间函数。2个step函数相加，第2个step函数的Y值是相对第1个step的增加值，不足绝对值。

    2．3转向仿真分析

    仿真时间设置为15S，运行仿真，方向盘实现以下运动(上述4个step函数相加)：0～2 S，静止，如图3(a)；2～4 S，方向盘顺时针转动120°，如图3(b)；4～6 s，静止；6～8 S，方向盘逆时针转动240°，如图3(e)；8～10 S，静止；10～12 S，方向盘顺时针转动120°，如图3(d)；12～15 s，静止。仿真时间设置为15 S。所以12 S以后方向盘一直维持最后位置状态，直到仿真结束。

图3 转向示意图

    选择左梯形臂和机架的顶点和转动中心，生成一个角位移，左车轮在方向盘转动过程中的转动角度变化如图4所示。同样，右车轮在方向盘转动过程中的转动角度变化如图5所示。可见，在车轮逆时针转动过程中，左车轮在0～19．4°转动，右车轮却在O～17．0°转动，顺时针转动过程中的范围也不相同。

图4 左车轮转向

图5 右车轮转向

3 行驶仿真

    汽车行驶模拟模型由车身、前轮转向机构、后轮驱动机构、地面组成，通过给车轮和路面之间建立三维碰撞关系，没置车轮与地面的摩擦，后轮转动，摩擦力使得汽车行驶。

    将地面设置为静止零部件，其余设置为运动零部件，在后轮的旋转副添加一个运动，设置2后轮为驱动轮。行驶设置的要点是将4个车轮和地面之问设置为3D碰撞关系。碰撞具体参数设置为：碰撞刚度100000 N／mm；非线性刚度力指数2．2，接触边界的最大阻尼系数10 N-sec／mm；碰撞时接触边界的穿透深度0．1 mm。为使车轮与地面相对运动。必须设置车轮与地面的摩擦因数：静摩擦临界速度取0．1 mm／s，静摩擦因数O．4；动摩擦临界速度町以取10 mm／s，动摩擦因数取0．3。

    由于3D碰撞的存在，行驶模拟需要较多的计算时间。仿真时间仍然没置为15 s，仿真计算完成后，选择轨迹跟踪，生成的轮零件中心的运行轨迹，可以观察前轮行驶过程走过的路径。

    下面是运行过程的几个片段，图6(a)是行驶开始位置，图6(b)是运行到4．2 S时的状况，图6(C)是运行到6．3 S时的状况，图6(d)是运行到7．1 s时的状况。这些图像很好地显示出了汽车直线运行、转向运行以及冲出路面掉下去的全过程。

图6车辆行驶状况

4 结束语

    采用SolidWorks及插件COSMOSMotion实现汽车机构三维实体造型、运动仿真无缝连接。建立了汽车转向模型，模拟汽车转向的工作过程。通过给汽车方向盘加上分段的转向函数，经过梯形机构转化为前轮的转动，可用于汽车转向模拟和转向梯形机构转向性能的研究。建立了汽车行驶模型，模拟了汽车在给定驱动和转向关系时的行驶过程，通过给轮胎和地面添加三维碰撞接触和摩擦，实现车轮滚动带动汽车行驶，显示行驶轨迹，观察车辆的运行状况。进一步，还可以通过仿真模型，观察汽车的运行路径，设置不同的转向函数，以便避开障碍物。还可以进一步建立不同的路面模型，观察车身的碰撞振动情况等，如果结合计算机编制程序二次开发，可以得到更多的研究结果。