奚 琳，倪化生，萬壽祥，趙 苳，楊 禮

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.中國科學(xué)院合肥智能研究所，安徽 合肥 230000)

智能制造2.0時(shí)代傳統(tǒng)汽車構(gòu)型的局限與人們多元化需求之間的矛盾日漸顯著，以中國人多車多的國情看，目前家用汽車領(lǐng)域主要存在的問題有：上班族一戶多車的需求日漸提升，然停車位供給不足；單個(gè)人出行與家庭出行時(shí)汽車的能源損耗近乎相同。社會(huì)問題促發(fā)汽車領(lǐng)域?qū)π聵?gòu)型新理論的思考與創(chuàng)新，基于空間可重構(gòu)技術(shù)的汽車研究即將開啟。

重構(gòu)技術(shù)指的是根據(jù)任務(wù)或環(huán)境的變化而改變機(jī)械的構(gòu)型，通過模塊化柔性組合裝配成不同構(gòu)型的機(jī)器以適應(yīng)不同的工作需求。重構(gòu)技術(shù)多用于機(jī)器人領(lǐng)域，涉及模塊化、智能化、人機(jī)協(xié)作、機(jī)器增強(qiáng)、環(huán)境感知等方面。20世紀(jì)80年代Carnegie Mellon University(CMU)研發(fā)了世界首臺(tái)工業(yè)用可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng),隨后，可重構(gòu)機(jī)械在國內(nèi)外許多領(lǐng)域得以迅速發(fā)展。如Braud R等研發(fā)了能夠動(dòng)態(tài)感知學(xué)習(xí)的可重構(gòu)機(jī)器人；Ahmad S將重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于多工況開門機(jī)器結(jié)構(gòu)；Oung R將重構(gòu)技術(shù)用于垂直起降型飛行器；Seo J等設(shè)計(jì)了PolyBot鏈?zhǔn)娇芍貥?gòu)機(jī)器人；Bhole A等利用重構(gòu)技術(shù)解決了爬梯機(jī)構(gòu)中的懸垂問題；Giusti A等則將可重構(gòu)技術(shù)研究用于機(jī)械手的模塊化控制；Cordie T P等研制的可重構(gòu)NeWheel城市搜救機(jī)器(USAR)能夠在雜亂的建筑和不穩(wěn)定的地板上完成工作；Manzoor S設(shè)計(jì)了蛇形可重構(gòu)機(jī)器,對(duì)比了不同運(yùn)動(dòng)的特性；Motzki P設(shè)計(jì)了熱熔合金可重構(gòu)機(jī)器；Baca等研究的ModRED動(dòng)態(tài)重構(gòu)機(jī)器設(shè)備對(duì)探索與發(fā)現(xiàn)工作進(jìn)行了仿真分析。中國航天科技集團(tuán)有限公司空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，采用異體同構(gòu)周邊式構(gòu)型對(duì)捕獲緩沖系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。

基于重構(gòu)技術(shù)的柔性設(shè)計(jì)正在各制造領(lǐng)域有力縮短了設(shè)計(jì)周期，快速應(yīng)對(duì)市場變化需求。研究將重構(gòu)理論作用于汽車領(lǐng)域，提出兩車變一車(4座變8座)的新構(gòu)型模塊化組態(tài)汽車?；谝曈X跟隨技術(shù)的三點(diǎn)圓周邊環(huán)錐式對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)車體找尋目標(biāo)車體，通過弱碰撞大容差的對(duì)接過程，捕獲成功成為空間擴(kuò)容的組合型車體，并且主動(dòng)車與目標(biāo)車也可以分別作為獨(dú)立的微型車行駛。雙微型車解決了一戶多車的需求，同時(shí)節(jié)省了能源。組合整車只占據(jù)一個(gè)停車位，解決了停車難的問題。介紹了雙驅(qū)動(dòng)雙組態(tài)車體的柔性重構(gòu)模塊化原理，針對(duì)重構(gòu)車身連接處關(guān)鍵零部件做了不同行駛工況下的靜力學(xué)分析，驗(yàn)證新車型的安全性能。

1 重構(gòu)汽車結(jié)構(gòu)模型

1.1 重構(gòu)汽車建模

主動(dòng)車與目標(biāo)車均為可獨(dú)立行駛的微型車，此為第一組態(tài)；而重構(gòu)后的整車將實(shí)現(xiàn)空間擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)第二組態(tài)。兩車尾門采用平開模式，由氣泵驅(qū)動(dòng)頂部曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車門朝內(nèi)折疊，尾門4座椅展開即構(gòu)成8座大車，實(shí)現(xiàn)空間重組，建模如圖1所示。

圖1 重構(gòu)汽車結(jié)構(gòu)圖

雙車對(duì)接是指主動(dòng)車體在無人駕駛模式下一鍵找尋目標(biāo)車體。建立了由人工信標(biāo)、視覺模塊、嵌入式圖像處理平臺(tái)組成的視覺定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了“三點(diǎn)圓-周邊環(huán)錐式”對(duì)接結(jié)構(gòu)，通過空氣懸架輔助完成位姿調(diào)整與弱碰撞對(duì)接過程，底盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 重構(gòu)汽車底盤對(duì)接結(jié)構(gòu)圖

1.2 底盤對(duì)接機(jī)構(gòu)模型

底盤作為整車的支撐，用以支承、安裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和其他各部件、總成，在底盤上設(shè)置有轉(zhuǎn)向控制裝置、制動(dòng)控制裝置和減震緩沖裝置，以確保車輛能夠正常行駛。底盤設(shè)計(jì)兼顧汽車操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、乘坐舒適性、轉(zhuǎn)向自如性、制動(dòng)安全性和底盤的緊湊性等各方面綜合性能。在常規(guī)道路駕駛時(shí)，底盤結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠提供良好的舒適性、減震和隔音性能；在路況較差的道路行駛時(shí)，底盤結(jié)構(gòu)的動(dòng)力、傳動(dòng)、懸架、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向響應(yīng)要迅速；高速行駛時(shí)，底盤結(jié)構(gòu)應(yīng)能提供較低的重心和更好的穩(wěn)定性。

雙驅(qū)動(dòng)雙組態(tài)重構(gòu)汽車的底盤強(qiáng)度驗(yàn)證尤為重要，需要針對(duì)各種行駛工況做靜力學(xué)計(jì)算。對(duì)接機(jī)構(gòu)中涉及底盤部分的關(guān)鍵零部件是柔性驅(qū)板機(jī)構(gòu)，當(dāng)視覺跟隨系統(tǒng)完成定位后觸發(fā)對(duì)接機(jī)構(gòu)，底盤柔性驅(qū)板機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)沿線性導(dǎo)軌滑入鎖槽，由鎖舌銷插入鎖緊，模型如圖3所示。

圖3 主動(dòng)車底盤柔性驅(qū)板機(jī)構(gòu)模型

2 運(yùn)動(dòng)系參數(shù)

2.1 車身參數(shù)設(shè)定

為車身建模首先要確定車身基本參數(shù)，參照常規(guī)車型參數(shù)范圍，設(shè)定車身基本參數(shù)如表1所示。

表1 車身參數(shù)

2.2 行駛條件擬定

假定汽車在坡度6°的良好路面上，在40 km/h的初速度下，以1 m/s的加速度II檔加速行駛，設(shè)汽車行駛的空氣阻力為

F

，滾動(dòng)阻力為

F

，坡度阻力為

F

，加速度阻力為

F

。∑

F=F

+

F

+

F

+

F

,

(1)

空氣阻力無風(fēng)時(shí)有：

(

2

)

取空氣阻力系數(shù)

C

為0.3

;

逆風(fēng)面積

A

為1.7

;φ

為空氣密度，一般取

φ

=

1.225 8

kg

/

m

；

u

為相對(duì)速度。由式(2)可得

F

=

500.126 4 N。

滾動(dòng)阻力：

F

=W

·

f,

(3)

式中，

W

為本車負(fù)荷；

f

為滾動(dòng)阻力系數(shù)，在良好的瀝青或混凝土路面上

f

的取值范圍在

[

0.01，0.018

]

，取

f=

0.014。由式(13)可得

F

=

182 N。

坡度阻力：

F

=G

sin

α,

(4)

因?yàn)橐话愕缆菲露容^小，所以

sinα

≈

tgα

≈

i

，

F

=G

·

i=

1 401.4 N。

加速度阻力：

(5)

其中，

(6)

二檔加速時(shí)，

δ

取1.15，代入式(5)得

F

=

1 495 N。將以上所得代入式(1)：∑

F=F

+

F

+

F

+

F

=

4 878.526 4 N。

兩車重構(gòu)后，主動(dòng)車對(duì)被動(dòng)車施加總力為

F

=

∑

F

+

ma

，取

F

=

5 000 N。

3 載荷工況

3.1 加速工況行駛

雙組態(tài)汽車在組合形態(tài)下，在加速工況行駛時(shí)(見圖4)，主動(dòng)車作為動(dòng)力來源，柔性驅(qū)板的兩側(cè)限位面受限位塊擠壓力而引起微量壓縮，根據(jù)查閱相關(guān)汽車的相關(guān)參數(shù)得知，汽車的最大加速度

a

不超過

g

(即

a

≤

g

)。此處分析極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

(a=g)

時(shí)的受力情況如圖4所示。由牛頓第二定律得

F=

15 000 N。由于在兩側(cè)相同的擠壓面都有作用力，因此單個(gè)擠壓表面受力約為

F

=F

=

0.5

F=

7 500 N。

3.2 減速工況行駛

雙組態(tài)汽車在組合形態(tài)下，在減速工況下行駛時(shí)(見圖5)，主動(dòng)車撤去動(dòng)力來源，柔性驅(qū)板的最后面受底盤后下方空腔內(nèi)面擠壓力而引起微量壓縮。根據(jù)查閱相關(guān)汽車的相關(guān)參數(shù)得知，汽車的最大減速度

a

不超過0.5

g

(即

a

≤0.5

g

)。此處分析極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(

a=

0.5

g

)時(shí)的受力情況如圖5所示。由牛頓第二定律得

F=

7 500 N。因此，擠壓表面受力約為7 500 N。

圖4 加速工況行駛極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)柔性驅(qū)板的受力圖 圖5 減速工況行駛極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)柔性驅(qū)板的受力圖

3.3 橫向碰撞工況

雙組態(tài)汽車在組合形態(tài)下，在橫向碰撞工況時(shí)(見圖6)，主動(dòng)車作為動(dòng)力來源，柔性驅(qū)板的左右兩側(cè)面受底盤后下方空腔內(nèi)面和T型槽面擠壓力而引起剪切。根據(jù)查閱相關(guān)汽車的相關(guān)參數(shù)得知，汽車橫向碰撞時(shí)的最大加速度

a

不超過0.5

g

(即

a

≤0.5

g

)。此處分析極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

(a=g)

時(shí)的受力情況如圖6所示。由牛頓第二定律得

F=

7 500 N，由于在兩側(cè)的擠壓面有一對(duì)方向相反作用力，因此，單個(gè)擠壓表面受力約為7 500 N。

3.4 彎道工況行駛

雙組態(tài)汽車在組合形態(tài)下，在彎道工況行駛時(shí)(見圖7)，主動(dòng)車作為動(dòng)力來源，柔性驅(qū)板的一側(cè)后方最后面受底盤后下方空腔內(nèi)面擠壓力而引起微量變形，根據(jù)查閱相關(guān)汽車的相關(guān)參數(shù)得知，汽車的最大彎道加速度

a

不超過0.3

g

(即

a

≤0.3

g

)。此處分析極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

(a=g)

時(shí)的受力情況如圖7所示。由牛頓第二定律得

F=

4 500 N，擠壓表面受力約為4 500 N。

圖6 橫向碰撞工況時(shí)柔性驅(qū)板受力圖 圖7 彎道工況行駛極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)柔性驅(qū)板受力圖

3.5 顛簸工況行駛

雙組態(tài)汽車在組合形態(tài)下，在顛簸工況行駛時(shí)(見圖8)，主動(dòng)車作為動(dòng)力來源，柔性驅(qū)板的后側(cè)上方受底盤后下方空腔內(nèi)面擠壓力而引起微量變形。根據(jù)查閱相關(guān)汽車的相關(guān)參數(shù)得知，整個(gè)車體脫離地面，汽車顛簸時(shí)最大加速度

a

不超過

g

(即

a

≤

g

)。此處分析極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

(a=g)

時(shí)的受力情況如圖8所示。由牛頓第二定律得

F=

15 000 N，由于在兩側(cè)相同的擠壓面都有作用力，因此單個(gè)擠壓表面受力約為7 500 N。

4 靜力學(xué)分析

車架的材料選擇為45號(hào)鋼，密度為7 890，彈性模量為209 000 MPa，泊松比為0.269。利用ANSYS Workbench為底盤對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，主要分析柔性驅(qū)板的受力情況，通過進(jìn)行線性靜力分析來驗(yàn)證它在不同工況運(yùn)動(dòng)過程中是否安全可靠。柔性驅(qū)動(dòng)板在不同工況下可能會(huì)出現(xiàn)伸張狀態(tài)或壓縮狀態(tài)，分析時(shí)加入相應(yīng)載荷，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用網(wǎng)格控制選取分析面，設(shè)置網(wǎng)格密度，分別得出分析元件的應(yīng)力、應(yīng)變分析圖。

4.1 加速工況行駛

將在UG中已經(jīng)畫好的柔性驅(qū)板模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，然后將柔性驅(qū)板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，點(diǎn)擊Mesh和Update調(diào)整下方的Sizing，再點(diǎn)擊Proximity and Curvature，網(wǎng)格自動(dòng)劃分在較為重要的位置和表面。將網(wǎng)格適當(dāng)縮小以使結(jié)果更加準(zhǔn)確。點(diǎn)擊Update，得到的結(jié)果如圖9所示。

圖8 顛簸工況行駛極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)柔性驅(qū)板受力圖 圖9 柔性驅(qū)板網(wǎng)格劃分圖

在網(wǎng)格劃分后的柔性驅(qū)板選取分析面，點(diǎn)擊Supports選項(xiàng)中的Fixed Supports和Cylindrical Supports，然后給被動(dòng)車體施加加速力，點(diǎn)擊Loads中選用Force，最大作用力7 500 N，如圖10所示。

圖10 加速工況行駛時(shí)受力示意圖

加速工況行駛時(shí)應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。由圖11可以看出，柔性驅(qū)板的應(yīng)變從兩側(cè)中間拐角處向端部遞減，而驅(qū)板根部應(yīng)變趨于零。加速工況行駛時(shí)應(yīng)力云圖如圖12所示。由圖12可以看出，柔性驅(qū)板的兩側(cè)中間拐角處應(yīng)力呈小范圍波紋狀集中分布迅速遞減，應(yīng)力范圍在[1.25,10]MPa，驅(qū)板整體所受應(yīng)力趨于零。

4.2 減速工況行駛

由于ANSYS Workbench軟件具有參數(shù)共享性，分析步驟同加速工況行駛時(shí)應(yīng)力分析的步驟，只需更改分析面的受力方向和大小。在網(wǎng)格劃分后的柔性驅(qū)板選取分析面，點(diǎn)擊Supports選項(xiàng)中的Fixed Supports和Cylindrical Supports，對(duì)被動(dòng)車體施加減速力，點(diǎn)擊Loads中選用Force，最大作用力7 500 N，如圖13所示。得到施力圖、應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力分布云圖分別如圖13、圖14、圖15所示。由圖13、圖14、圖15可以看出，柔性驅(qū)板應(yīng)變由根部呈梯度向端部遞減，鎖舌銷及端部應(yīng)變趨于零。通過應(yīng)力云圖可看出柔性驅(qū)板從根部到鎖舌銷部位，應(yīng)力分布均勻，約為0.75 MPa，端部應(yīng)力分布范圍在[0.002，0.18]MPa。

4.3 橫向碰撞工況

給柔性驅(qū)板施加橫向碰撞力，點(diǎn)擊Loads中選用Force，最大作用力7 500 N，如圖16所示。得到的施力圖、應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力分布云圖分別如圖16、圖17、圖18所示。由圖16、圖17、圖18可知，柔性驅(qū)板應(yīng)變由根部單側(cè)向周邊呈波紋狀遞減，最大值僅0.002 mm，端部對(duì)角線應(yīng)變約為0.000 47 mm，中部應(yīng)變趨于零。通過應(yīng)力云圖可看出柔性驅(qū)板應(yīng)力大面積集中于根部和中部，應(yīng)力范圍約在[0.28,1.1]MPa。

圖11 加速工況行駛時(shí)應(yīng)變?cè)茍D 圖12 加速工況行駛時(shí)應(yīng)力云圖

圖13 減速工況行駛時(shí)受力示意圖 圖14 減速工況行駛時(shí)應(yīng)變?cè)茍D

圖15 減速工況行駛時(shí)應(yīng)力云圖 圖16 橫向碰撞工況時(shí)受力示意圖

圖17 橫向碰撞工況時(shí)應(yīng)變?cè)茍D 圖18 橫向碰撞工況時(shí)應(yīng)力云圖

4.4 彎道工況行駛

給柔性驅(qū)板施加一個(gè)彎道驅(qū)動(dòng)力，最大作用力4 500 N。得到的施力圖、應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力分布云圖分別如圖19、圖20、圖21所示。由圖19、圖20、圖21可知，柔性驅(qū)板應(yīng)變由彎道根部單側(cè)向周邊呈波紋狀遞減，最大值僅0.004 7 mm，驅(qū)板彎道同側(cè)端部應(yīng)變僅約0.000 75 mm，驅(qū)板整體應(yīng)力趨于零。通過應(yīng)力云圖可看出柔性驅(qū)板應(yīng)力同樣由彎道根部單側(cè)向周邊呈波紋狀遞減，最大應(yīng)力呈點(diǎn)狀集中，約為8 MPa。

4.5 顛簸工況行駛

給柔性驅(qū)板施加上下顛簸力，點(diǎn)擊Loads中選用Force，顛簸力最大為15 000N。得到的施力圖、應(yīng)變分布云圖和應(yīng)力云圖分別如圖22、圖23、圖24所示。由圖22、圖23、圖24可知，柔性驅(qū)板應(yīng)變由根部中心向周邊呈波紋狀遞減，最大值達(dá)0.056 mm，中部應(yīng)變趨于零，端部應(yīng)變較小，約以0.037 mm向中心遞減。通過應(yīng)力云圖可看出柔性驅(qū)板應(yīng)力以根部和近端部向中部呈梯度遞減，最大應(yīng)力約為6.25 MPa。

圖19 彎道工況行駛時(shí)受力示意圖 圖20 彎道工況行駛時(shí)應(yīng)變?cè)茍D

圖21 彎道工況行駛時(shí)應(yīng)力云圖 圖22 顛簸工況行駛時(shí)受力示意圖

圖23 顛簸工況行駛時(shí)應(yīng)變?cè)茍D 圖24 顛簸工況行駛時(shí)應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

基于可重構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)了雙組態(tài)汽車車身構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了雙車與整車正逆向的空間重組行為。從車身安全性角度考慮，利用有限元法重點(diǎn)分析了底盤對(duì)接核心零部件-柔性驅(qū)板的強(qiáng)度情況。針對(duì)上述5種行駛工況，柔性驅(qū)板的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果表明，指標(biāo)均遠(yuǎn)低于強(qiáng)度極限，論證了重構(gòu)汽車的安全性和可靠性，為智能制造下新車型開發(fā)提供了創(chuàng)新思路。