張曉艷，吳帥

(長城汽車股份有限公司，河北保定 071000)

?

殘疾人無縫對接系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

張曉艷，吳帥

(長城汽車股份有限公司，河北保定 071000)

針對殘疾人遠距離出行不便，設(shè)計了殘疾人無縫對接系統(tǒng)。殘疾人乘坐輪椅通過輪椅舉升裝置進入汽車駕駛室，由輪椅代替駕駛座椅，實現(xiàn)駕車遠距離出行。為了驗證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，建立基于ADAMS的虛擬樣機模型，對輪椅舉升裝置工作過程進行動態(tài)仿真，結(jié)果表明此系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠?；贠ptiStruct對主要部件進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，得到了理想的輕量化結(jié)構(gòu)。

輪椅舉升裝置；動力學(xué)仿真；拓撲優(yōu)化

0　引言

殘疾人的數(shù)量在不斷地增長，其中大部分殘疾人的日常出行是依靠輪椅代步完成的，但是輪椅代步只能實現(xiàn)短距離出行。要想實現(xiàn)遠距離出行，需要借助可載輪椅的殘疾人車。日本豐田公司于2007年設(shè)計出可載10人的殘疾人車，這種殘疾人車是通過輪椅升降機來完成輪椅蹬車動作的。美國的Harmar公司也有類似的產(chǎn)品。殘疾人如何借助可載輪椅的殘疾人車進行遠距離出行的問題，需要研究解決。針對這一問題，設(shè)計了殘疾人無縫對接系統(tǒng)，通過動力學(xué)仿真分析，驗證其工作的可靠性，并針對關(guān)鍵零部件進行優(yōu)化設(shè)計。

1　殘疾人無縫對接系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1設(shè)計要求

殘疾人無縫對接系統(tǒng)是一種能夠滿足使用輪椅代步的殘疾人借助可載輪椅的汽車遠距離出行要求的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計要求分為以下幾點：運動軌跡符合運動要求；舉升力變化規(guī)律合理；構(gòu)件布置合理，不出現(xiàn)干涉情況；構(gòu)件內(nèi)部的傳動力與傳遞的功率要??；在滿足機械性能和結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，機構(gòu)要求結(jié)構(gòu)簡單、合理、可靠。

1.2工作過程

乘車時，舉升平臺運動到水平地面上，輪椅駛上舉升平臺，舉升平臺舉升輪椅與乘客到車廂地板齊平位置，乘客乘坐輪椅進入駕駛室，舉升平臺折翻收回。

1.3整體設(shè)計方案

對接系統(tǒng)(見圖1)包括后排可折疊座椅、輪椅舉升裝置、舉升平臺回位機構(gòu)、輪椅。輪椅舉升裝置包括底座、下橫臂、上橫臂、舉升臂、舉升平臺、電動推桿。后排可折疊座椅在輪椅進入駕駛室時折疊避讓。輪椅舉升裝置整體安裝在汽車地板上。底座安裝于地板上，下橫臂鉸接安裝在底座下安裝點，上橫臂鉸接安裝在底座上安裝點，下橫臂與上橫臂另一端鉸接安裝在舉升臂上，電動推桿鉸接安裝在底座和下橫臂上，舉升平臺鉸接安裝在舉升臂上。

1.4輪椅舉升裝置的設(shè)計

輪椅舉升裝置(見圖2)應(yīng)用平行四桿機構(gòu)原理進行設(shè)計，選取電動推桿提供動力。整個工作過程，電動推桿推動輪椅舉升裝置完成輪椅升降運動。

1.5舉升平臺回位機構(gòu)的設(shè)計

舉升平臺回位機構(gòu)(見圖3)同樣應(yīng)用四桿機構(gòu)來實現(xiàn)折翻回位運動。機構(gòu)的自由度為1，其運動軌跡是唯一確定的[4]。

2　三維模型建立

應(yīng)用UG7.0建立三維實體模型，如圖4所示。

3　基于ADAMS動力學(xué)分析

3.1創(chuàng)建多剛體虛擬樣機模型

(1)建立模型

將應(yīng)用UG7.0建立的三維實體模型導(dǎo)入ADAMS中，建立多剛體虛擬樣機模型。電動推桿的舉升力作為研究內(nèi)容，輪椅舉升到車廂地板齊平位置時電動推桿共伸出72 mm，驅(qū)動函數(shù)選擇STEP函數(shù)，函數(shù)為：(72/16)*Time。函數(shù)曲線見圖5。

(2)模型檢驗

模型檢驗是指檢測模型中是否存在錯誤的連接和約束，是否存在沒有約束的零件，同時需排除多余的約束。經(jīng)過分析得知，模型合格。

3.2虛擬樣機模型仿真分析

仿真分析基于以下假設(shè)條件：

(1)蹬車過程中車輛位于平整的路面上；

(2)蹬車過程中不存在偏載情況；

(3)左右兩個電動推桿運動是一致的。

典型工況畫面見圖6。

3.3結(jié)果分析

對殘疾人無縫對接系統(tǒng)輪椅舉升裝置的工作特性進行仿真分析，設(shè)置以下需要測量的數(shù)據(jù)，如圖7所示。

(1)下拉臂與舉升臂安裝位置點B及電動推桿安裝點C、F受力曲線，見圖8。

結(jié)果分析：t=0～16 s點B受力變化很小，受力平穩(wěn); 點C、F受力逐漸減小，其原因是電動推桿的作用力臂不斷增大;t=16～25 s，各點受力不斷減小，這是因為輪椅駛離舉升平臺。此過程機構(gòu)的受力狀況變化平穩(wěn)。

(2)舉升平臺的速度及加速度隨時間變化的曲線見圖9。

結(jié)果分析：t=0～16 s，舉升平臺速度先增大后減小，其加速度很小，此過程機構(gòu)工作平穩(wěn);t=16～20 s輪椅駛離舉升平臺，舉升平臺速度為0;t=20～25 s是舉升平臺折翻回位過程，速度先增大后減小，平臺無載荷，速度變化較快，整個過程運動狀況與實際符合。

(3)電動推桿伸出長度與舉升平臺運動速度及加速度關(guān)系曲線見圖10。

結(jié)果分析：推桿伸出長度0～72 mm為輪椅舉升過程，舉升平臺的速度先增加后減小，加速度幾乎為0，運動較平穩(wěn);當(dāng)伸出長度為72～100 mm時，此過程為舉升平臺折翻回位過程，舉升平臺的速度先增加再減小，變化較快，整個過程運動狀況與實際符合。

通過上述仿真分析得知，裝置整個工作過程平穩(wěn)可靠。

4　支座拓撲優(yōu)化

4.1拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建立

支座拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型[6]為：

求：

X=[X1,X2,…,Xn]T

(1)

Min：C=FTU

(2)

(3)

式中：Xi(i=1,2,3,…,n)為設(shè)計變量；C為結(jié)構(gòu)的柔順度；F為載荷矢量；U為位移矢量；k為剩余材料百分比；V1為優(yōu)化后體積；V0為設(shè)計區(qū)域體積；K為剛度矩陣。

4.2拓撲優(yōu)化有限元模型建立

定義設(shè)計區(qū)域與非設(shè)計區(qū)域時，部件的裝配要求需要考慮在內(nèi)。底座的鉸接位置安裝其他零部件，所以其周邊定義為非設(shè)計區(qū)域，剩余部分是設(shè)計區(qū)域。劃分好的網(wǎng)格包括26 896個節(jié)點和20 548個單元，見圖11。

通過ADAMS/View獲取底座鉸接處點D、點A、點F的受力曲線，從這3個點的受力曲線(整個蹬車過程的受力情況)上提取了具有代表性的4個時刻的4組特征數(shù)據(jù)(X向與Y向數(shù)值)，作為FEA模型的輸入載荷(見表1)。

表1底座鉸接位置受力表

N

根據(jù)預(yù)期目標(biāo)設(shè)置設(shè)計變量、約束條件、優(yōu)化目標(biāo)三大優(yōu)化邊界條件，建立如圖12所示的優(yōu)化分析模型。

4.3拓撲優(yōu)化結(jié)果分析

通過OptiStruct求解器求得閾值為0.3的拓撲優(yōu)化結(jié)果，見圖13。

結(jié)果表明：設(shè)計區(qū)域出現(xiàn)了材料空缺。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，建立底座的三維模型，見圖14。

4.4優(yōu)化前后靜力學(xué)性能對比

優(yōu)化后的支座結(jié)構(gòu)變化明顯，其靜力學(xué)性能會相應(yīng)變化，對比分析4種工況下的靜力學(xué)性能。

原結(jié)構(gòu)在受力為F1時的應(yīng)力最大，為27.4MPa。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力同樣發(fā)生在F1，為87.9MPa，雖然應(yīng)力增大了，但在允許范圍之內(nèi)，符合設(shè)計要求。

經(jīng)過優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)變減小，其剛度增大。原結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為2kg，優(yōu)化后的質(zhì)量為1.44kg，總體減輕18%，達到了預(yù)期的優(yōu)化效果。

5　結(jié)論

所設(shè)計的殘疾人無縫對接系統(tǒng)，為殘疾人的出行提供了方便。通過基于ADAMS的動力學(xué)仿真分析和基于OptiStruct的優(yōu)化設(shè)計，產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量得以提高，研發(fā)周期得以縮短，開發(fā)成本大大降低，同時為該類產(chǎn)品今后的研究開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

【1】上海理工大學(xué)．轎車助殘障人士輔助椅裝置：200810200984.2[P]．2008-10-10．

【2】許明恒，于濤，雷鑫，等．多功能殘疾人車越障機構(gòu)的設(shè)計[J]．中國工程機械學(xué)報，2007，5(4)：434-436．

XUMingheng,YUTao,LEIXin,etal.InvestigationintoObstacle-stridingMechanismofMulti-functionalDisabled-assistingCar[J].ChineseJournalofConstructionMachinery,2007,5(4)：434-436.

【3】陸瑋．殘障人士輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計仿真及樣機研制[D]．上海：東華大學(xué)，2009．

【4】邵堃，張祥，冷雷波，等．車載式輪椅自動升降機的研制[J]．機械設(shè)計，2007(8)：63-65．

SHAOKun,ZHANGXiang,LENGLeibo,etal.DevelopmentofAutomaticElevatorforMinibusCarryableWheelchair[J].JournalofMachineDesign,2007,24(8):64-66.

【5】劉又午．多體動力學(xué)在機械工程領(lǐng)域的應(yīng)用[N]．中國機械工程，2000,11(1):144-149.

LIUYouwu.ApplicationsofMultibodyDynamicsintheFieldofMechanicalEngineering[J].ChinaMechanicalEngineering,2000,11(1):144-149.

【6】趙德斌，樊軍，厲國柱．基于ANSYS的自行車車架拓撲優(yōu)化設(shè)計[J]．工程設(shè)計學(xué)報，2008，16(5)：391-394．

ZHAODebin,FANJun,LIGuozhu.TopologyOptimizationDesignofBicycleFrameBasedonANSYS[J].JournalofEngineeringDesign,2009,16(5):391-394.

【7】李震，孫寶元，楊貴玉，等．基于拓撲優(yōu)化的微夾鉗設(shè)計[J]．大連理工大學(xué)學(xué)報，2005，45(2)：210-214．

LIZhen,SUNBaoyuan,YANGGuiyu,etal.DesignofMicrogripperBasedonMethodofTopologyOptimization[J].JournalofDalianUniversityofTechnology,2005, 45(2):210-214.

【8】趙永輝，馬力，王元良，等．自卸車舉升機構(gòu)三角臂拓撲優(yōu)化設(shè)計[J]．專用汽車，2007(9)：33-35．

ZHAOYonghui,MALi,WANGYuanliang,etal.TopologyOptimizationDesignonDumpTruckLiftingMechanismTriangularArm[J]．SpecialPurposeVehicle,2007(9)：33-35.

Design and Simulation for the Seamless Docking System of Disabled Car

ZHANG Xiaoyan, WU Shuai

(Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China )

Seamless docking system was designed to solve the long-range travel for disabled people. Through the wheelchair lifting device, disabled people who in wheelchair could be pedaled into the cab instead of the driver’s seat, driving long-distance travel demand was achieved.In order to verify the stability of the system, a virtual prototype model was established and the dynamic simulation was analyzed by ADAMS software.The results show that the system is reliable. Topological optimization technology was applied to the main components of the pedaling lifting system,by which an ideal structure of lightweight was gotten.

Wheelchair lifting device; Dynamic simulation; Topological optimization

2016-03-17

張曉艷(1987—)，女，碩士，助理工程師，主要從事汽車底盤設(shè)計工作。E-mail:zhang_xiaoyan2016@126.com。

U462.1

B

1674-1986(2016)07-038-05