曾波 古龍 曾鳳 王艷萍

摘要：針對(duì)無(wú)人駕駛智能小車(chē)的底盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，利用UG軟件對(duì)智能小車(chē)底盤(pán)前橋、后橋及底盤(pán)架進(jìn)行分模塊構(gòu)建，通過(guò)ANSYS軟件分析底盤(pán)架處于靜止與運(yùn)動(dòng)兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，進(jìn)而不斷優(yōu)化智能小車(chē)的底盤(pán)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最優(yōu)的底盤(pán)架設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：智能小車(chē);底盤(pán)架;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2019）02-0009-05

Abstract：For the chassis system design of the driverless intelligent car，the modular design concept was adopted and the UG software was used to construct the front axle，rear axle and chassis frame of the chassis system. Through ANSYS software，the stress and strainof the chassis frame under static and moving conditions? were analyzed.? The chassis structure of the intelligent car was optimized continuously so that the optimal chassis frame design plan，which provides strong support for the overall design and manufacture of the intelligent car can be obtained.

Keywords： intelligent car;chassis frame;structure design;finite element? simulation

自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)已陸續(xù)開(kāi)展智能車(chē)輛的設(shè)計(jì)研究工作，并取得了重大的技術(shù)突破。人們對(duì)智能車(chē)輛的需求也越來(lái)越迫切，不再只要求自動(dòng)控制、可重復(fù)編程等功能，而是更多地專注于智能性、安全性、可靠性等功能[1]。智能汽車(chē)底盤(pán)作為支撐全車(chē)重量的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度、剛度在很大程度上決定了整車(chē)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，影響整車(chē)的安全性、穩(wěn)定性，因而在整車(chē)的設(shè)計(jì)中，底盤(pán)的設(shè)計(jì)要求尤為重要。傳統(tǒng)的底盤(pán)設(shè)計(jì)主要通過(guò)人工計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)判斷和試驗(yàn)?zāi)M等手段來(lái)完成，很難發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)之初的一些問(wèn)題，無(wú)法及時(shí)修正[2]。針對(duì)智能小車(chē)底盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文將借助計(jì)算機(jī)輔助軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的底盤(pán)結(jié)構(gòu)。

1 底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能小車(chē)屬于初代實(shí)驗(yàn)用車(chē)，采用非承載式車(chē)身，要求設(shè)計(jì)速度在10～30 km/h，輪距達(dá)1.2 m，軸距達(dá)1.6 m，總尺寸要求1.4 m×2.2 m×0.8 m，預(yù)計(jì)載重300 kg，可實(shí)現(xiàn)有人與無(wú)人兩種駕駛方式。根據(jù)車(chē)輪的作用不同，智能小車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向橋、驅(qū)動(dòng)橋和支承橋等幾大模塊。其中，絕大多數(shù)車(chē)輛采用前置后驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，即前橋作為轉(zhuǎn)向橋，后橋作為驅(qū)動(dòng)橋。

1.1 底盤(pán)后橋設(shè)計(jì)

底盤(pán)后橋是智能小車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋，主要由電機(jī)、變速器、差速器、傳動(dòng)軸、彈簧減震器、三角架、輪轂和車(chē)輪構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的變速和差速功能。

底盤(pán)后橋的設(shè)計(jì)中，采用獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)，使用彈簧減震器，并在減震器上端橫梁處添加橡膠塊，以提高結(jié)構(gòu)的緩沖與減震能力，達(dá)到抑制車(chē)身震動(dòng)的效果，避免車(chē)輪受沖擊載荷影響。底盤(pán)后橋部分采用整體式電機(jī)差速器，不需考慮電機(jī)和差速器的連接，因而，底盤(pán)后橋的連接結(jié)構(gòu)主要包括：三角架的連接、平衡桿與底盤(pán)架的連接、整體式電機(jī)差速器與底盤(pán)架的連接、減震器與底盤(pán)架的連接、電機(jī)與底盤(pán)架的連接等[3]。

三角架作為獨(dú)立懸掛的重要組成部分，由方管與電機(jī)支架焊接而成，方管一側(cè)焊接2個(gè)U型塊，三角板通過(guò)螺栓與U型塊連接;墊塊用以支撐電機(jī)，設(shè)置在電機(jī)支架上部，通過(guò)螺栓與電機(jī)支架固定。

智能小車(chē)后橋作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其后輪無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，因而應(yīng)約束后輪的轉(zhuǎn)向自由度進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)了一種平衡桿結(jié)構(gòu)，一端與拉桿連接，另一端與剎車(chē)盤(pán)的“羊角”連接，可調(diào)節(jié)連接處的螺紋，改變后輪的運(yùn)行方向。

1.2 底盤(pán)前橋設(shè)計(jì)

智能小車(chē)前橋作為轉(zhuǎn)向橋，一般由前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、制動(dòng)器和輪轂總成等組成，可實(shí)現(xiàn)承載、制動(dòng)、行駛和轉(zhuǎn)向等功能。在底盤(pán)前橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，其橫梁的高度可由后橋橫梁的高度決定，連接部分的設(shè)計(jì)需確保穩(wěn)定性[4]。

為了便于電機(jī)的安裝，可在前橋橫梁下方焊接一塊帶孔方板，即可將電機(jī)與橫梁固定，實(shí)現(xiàn)前橋橫梁與轉(zhuǎn)向輪的有效連接?？紤]到智能小車(chē)受載荷和運(yùn)動(dòng)因素的影響，前輪會(huì)出現(xiàn)沿軸向移動(dòng)，為了確保前橋轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，可在前輪處設(shè)計(jì)平衡桿結(jié)構(gòu)。該平衡桿需要安裝在前輪軸線方向，否則很可能出現(xiàn)前輪不能轉(zhuǎn)向的情況。

1.3 底盤(pán)架連接裝置設(shè)計(jì)

智能小車(chē)底盤(pán)架連接裝置的主要作用是連接小車(chē)前橋與后橋部分，同時(shí)需考慮座位、控制電路、方向盤(pán)、換擋器、剎車(chē)、顯示器、雷達(dá)探測(cè)器等部件的安裝與固定。

智能小車(chē)底盤(pán)架連接裝置主要考慮前后橋橫梁的連接、后橋電機(jī)支撐板的固定以及底盤(pán)前后橋的穩(wěn)定[5]。由于后橋電機(jī)支撐板用于支撐后橋大部分重量，因而采用行架結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接方式將調(diào)試好的前后橋固定，確保足夠的強(qiáng)度、剛度及可靠性。為了增加底盤(pán)前后橋連接的穩(wěn)定性，可設(shè)置兩根穩(wěn)定桿，桿的一端通過(guò)螺栓與前橋穩(wěn)定桿連接，另一端與縱梁支撐桿連接。

1.4 智能小車(chē)底盤(pán)建模

本文分模塊地建立了底盤(pán)后橋總成模型、底盤(pán)前橋總成模型及底盤(pán)架模型。

后橋電機(jī)與減速器為一體式結(jié)構(gòu)，采用支架支撐，可便于安放驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器，增加底盤(pán)后橋的整體剛性。上文采用單斜臂式獨(dú)立懸掛，配合減震器可以有效地減輕小車(chē)底盤(pán)整體的震動(dòng)，確保小車(chē)較高的穩(wěn)定性，以利于電機(jī)安全可靠地傳遞動(dòng)力[6]。

無(wú)人駕駛智能小車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)http：//paper.cdtu.edu.cn/第22卷根據(jù)后橋底盤(pán)架與電機(jī)、車(chē)輪、懸架等零部件的組合關(guān)系，建立智能小車(chē)底盤(pán)后橋總成的三維模型，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該型智能小車(chē)底盤(pán)前橋的設(shè)計(jì)中，主要考慮與轉(zhuǎn)向系的連接，即只涉及與轉(zhuǎn)向電機(jī)的連接，與方向盤(pán)的連接固定。智能小車(chē)底盤(pán)前橋總成的三維模型如圖2所示。

智能小車(chē)底盤(pán)架連接裝置主要用于連接前橋和后橋，同時(shí)也用于安裝座位、安裝換檔器、變速器方向盤(pán)、剎車(chē)、電瓶和控制系統(tǒng)總成等結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

根據(jù)上文所建立的智能小車(chē)的各組成部件，依次將前橋、后橋、底盤(pán)架連接裝置進(jìn)行裝配，以形成智能小車(chē)底盤(pán)的整體模型，如圖4所示。

2 底盤(pán)架的有限元分析

底盤(pán)架是整個(gè)智能小車(chē)的基體，主要受作用于小車(chē)內(nèi)外的各種載荷，受力狀況復(fù)雜、多變。底盤(pán)架的強(qiáng)度與剛度，對(duì)小車(chē)整車(chē)的可靠性、安全性及使用壽命具有較大的影響，因此必須確保底盤(pán)架具有足夠的強(qiáng)度與剛度，對(duì)底盤(pán)架進(jìn)行有限元分析顯得尤為重要。通過(guò)有限元分析，能夠全面掌握底盤(pán)架對(duì)整車(chē)性能的影響，進(jìn)而繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提高智能小車(chē)的整體性能。

通常情況下，智能小車(chē)底盤(pán)架可以視為相對(duì)靜止的，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真時(shí)，主要考慮小車(chē)分別處于靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力和位移情況，計(jì)算底盤(pán)架整體的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況[7]。

當(dāng)智能小車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，底盤(pán)后橋的彈簧減震器與橫梁的連接、前橋橫梁與電機(jī)的連接均可視為固定約束，底盤(pán)架橫梁與縱梁考慮剛性連接，因而可對(duì)底盤(pán)架作進(jìn)一步簡(jiǎn)化，即底盤(pán)架受垂直方向的均布載荷作用。此時(shí)，底盤(pán)架只承受一個(gè)均布載荷的作用，前后梁分別存在兩個(gè)固定約束。采用設(shè)計(jì)載荷為500 kg的力加載于底盤(pán)架上，分析智能小車(chē)處于極限狀態(tài)下的受力和位移情況。

當(dāng)智能小車(chē)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，后橋的彈簧減震器處于工作狀態(tài)，可將彈簧減震器與后橋橫梁接觸處簡(jiǎn)化為受到一個(gè)周期變化的力;而前橋橫梁與電機(jī)的連接仍視作固定約束，即底盤(pán)架前橋部分受到豎直向下的均布載荷的作用。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[8]，可獲得彈簧減震器的剛度、減震器阻尼系數(shù)，確定減震器線性變化時(shí)對(duì)底盤(pán)架的支撐力，該支撐力取值范圍為4 500～5 000 N。

假設(shè)彈簧減震器簡(jiǎn)化為線性彈簧和阻尼，焊接部位均視為剛性連接，部分螺栓連接也視為剛性連接，暫不考慮運(yùn)動(dòng)副的影響，在ANSYS中建立底盤(pán)架的靜力學(xué)仿真模型。

當(dāng)智能小車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，以x_t的文件格式導(dǎo)入ANSYS，進(jìn)入靜力學(xué)仿真操作界面，對(duì)底盤(pán)架進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，檢查分析網(wǎng)格質(zhì)量。接著引入相關(guān)約束，在后橋橫梁與彈簧減震器連接處、前橋橫梁與電機(jī)連接處施加固定約束;繼續(xù)引入載荷，在底盤(pán)架的上表面施加4 800 Pa的載荷，計(jì)算底盤(pán)架的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，如圖5～6所示。

當(dāng)智能小車(chē)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其大致分析過(guò)程與小車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)相似，主要不同之處是：添加約束時(shí)前橋橫梁與電機(jī)連接處視為固定約束，后橋橫梁與彈簧減震器接觸處施加周期變化載荷，如圖7所示。

通過(guò)有限元計(jì)算可知，智能小車(chē)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，底盤(pán)架的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果如圖8～9所示。

當(dāng)智能小車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，底盤(pán)架縱梁中部變形為0.4 mm，最大等效應(yīng)力為52.17 MPa;當(dāng)智能小車(chē)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，底盤(pán)架縱梁變形為36.86 mm，最大等效應(yīng)力為145 MPa。隨著智能小車(chē)載荷持續(xù)增加且循環(huán)作用，底盤(pán)架縱梁易出現(xiàn)疲勞斷裂等破壞形式，破壞小車(chē)的整體性能，進(jìn)而引發(fā)各種不安全因素。

為了提高底盤(pán)架的剛度和強(qiáng)度，可在縱梁中部對(duì)稱焊接支撐桿。此時(shí)，可計(jì)算出底盤(pán)架所受的均布載荷為4 000 Pa，分別計(jì)算出底盤(pán)架處于靜止?fàn)顟B(tài)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖10～11所示，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如圖12～13所示。

底盤(pán)架增加支撐桿后，底盤(pán)架的整體穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。通過(guò)有限元分析可知，不論是靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，底盤(pán)架的最大變形均明顯降低，最大等效應(yīng)力也相應(yīng)地降低，底盤(pán)架縱梁最大變形為31.7 mm，最大等效應(yīng)力為127.4 MPa，完全滿足設(shè)計(jì)的剛度、強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

本文采用模塊化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)對(duì)智能小車(chē)底盤(pán)前橋、后橋及底盤(pán)架連接裝置進(jìn)行分模塊建模，分別計(jì)算底盤(pán)架處于靜止與運(yùn)動(dòng)兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。本文設(shè)計(jì)的底盤(pán)結(jié)構(gòu)能夠較好地實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)前后橋的有效連接，確保智能小車(chē)正常穩(wěn)定行走，達(dá)到預(yù)期要求和目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李巖.新能源汽車(chē)折疊底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2013.

[2] 劉江華.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)力全地形車(chē)專用底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D].南京：東南大學(xué)，2015.

[3] 張阿玲.一種電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身、車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能優(yōu)化[D].太原：中北大學(xué)，2012.

[4] 王鑭.YC1040載重汽車(chē)底盤(pán)有限元分析及優(yōu)化研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2017.

[5] 鄧號(hào).微型電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[D].唐山：河北聯(lián)合大學(xué)，2013.

[6] 胡方勤.半承載式客車(chē)車(chē)身骨架有限元建模分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[7] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].6版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.