机械分析报告研讨

基于SoildWorks的机械分析报告Ver3.02009-2-5飞思卡尔智能汽车项目组版本修订记录版本号修订日期修订人修订内容Ver 1.02009-1-12姚叶明初始化版本Ver 1.12009-1-18姚叶明完善前轮参数及阿克曼转角的分析Ver 2.02009-1-21姚叶明增加了的应力分析一章Ver 2.12009-1-25姚叶明补充了等舵机连杆长度的阿克曼转向角分析Ver 2.22009-1-30 姚叶明补充了对摄像头支架的应力分析Ver 3.02009-2-4姚叶明增加了关于提高舵机响应的另一种方案的阐述目 录引言51. 前轮参数的调整6 1.1 主销后倾角的调整6 1.2 主销内倾角的调整7 1.3 前轮前束的调整8 1.4 前轮外倾角的调整92. 使用SoildWorks 进行阿克曼转向角的分析测定9 2.1 阿克曼转向角的计算方法9 2.2 使用 SoildWorks 测量智能车实际的转角10 2.3 原车转向系统实际转向角与理论转向角的比较11 2.4 加长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较12 2.5 等长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较133. 使用 COSMOSXpress 对车体进行应力分析15 3.1 如何对底盘进行应力分析15 3.2 相应的底盘轻量化方案与比较164. 使用 COSMOSXpress对摄像头支撑杆的分析17 4.1 对方钢支撑杆的分析结果17 4.2 对减重孔的分析结果18 4.3 对圆形钢支撑杆的分析结果205. 提高舵机响应的另一种方案22 5.1 模型构建22 5.2 与其他方案的对比236. 其他分析与优化调整25 6.1 重心位置257. 附件：Solidworks三维模型文件（smartcar_sw.rar） 应力分析视频（应力.avi） 形变分析视频（形变.avi） 本文中的图片资料（picture.rar） 阿克曼转角分析资料（阿克曼转向角分析.xls）引言 在以前的智能车制作中，由于智能车零部件细小加之结构较复杂，一直很难找到一种准确的尺度来衡量车辆的各种参数，即使实际测量误差也比较大。因此，我们在改造优化车模时大多跟着感觉走，缺乏细致的数据分析，这样会使我们目标不明确甚至失去目标而不断的在某处徘徊。鉴于以上原因，结合SolidWorks强大的三维造型分析能力，我在本文中提出了一些使用SolidWorks调整车辆具体参数的方案，希望能给大家一些启发，起到抛砖引玉的作用。本文主要有以下几个方面：1.关于前轮参数的调整；2.阿克曼转向角的分析；3.使用SolidWorks COSMOSXpress对车辆部件进行应力分析，从而达到减少用料，轻量化车身的目的；4.新方案的模拟验证；5.其他一些应用，主要包括重心分析等。由于我使用的三维模型都是自己测绘所得，误差在所难免。特别是装配以后，部件相对关系的累计误差较实际尺寸有的地方还是不能忽略的，我觉得这是本方案最大的缺陷，如果能有厂家提供的零件图那样会好很多。即使如此，我认为此方案在其他一些方面的应用对我们改造车辆还是很有指导作用的。一、前轮参数的调整前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。1.1主销后倾角的调整主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。本车模可通过调整黄色垫片的数量来改变主销后倾角。由模型车的说明书可知，主销后倾角可以在 -6到6之间调整。具体的角度我们可以在Solidworks中进行具体的测量。如图所示，在前后各垫两块垫片的情况下，测得前轮主销的倾斜矢量为：dx=0.6mm，dz=28.99mm。根据tan=dx/dz，求得在这种情况下，前轮的主销后倾角为1.19同样的方法，在黄色垫片为前1后3时，测得前轮主销的倾斜矢量分别为：dx=2.39mm，dz=28.90mm。前轮的主销后倾角分别为4.73。同样的方法，在黄色垫片为4片全垫在后面时，测得前轮主销的倾斜矢量分别为：dx=4.15mm，dz=28.70mm。前轮的主销后倾角分别为8.23。误差更正：由于主销后倾角角度较小，所以与所加垫片基本成线性关系，且前后都垫两片垫片时，主销后倾角应为0，故各个档次的主销后倾角应为：0.0，3.5，7.0。1.2 主销内倾角的调整主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是在车轮偏转后形成一回正力矩阻碍车轮偏转使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。 由模型说明书中可知，可通过添加倾斜臂座来改变车模的主销内倾角。另外，在实际的装配过程中我们发现，通过调节车模螺杆的长度也可以改变主销内倾角。在Solidworks中另前轮主销方向矢量的dy=0，测得此时调节螺杆裸露部分长度为1.79mm。再另螺杆裸露部分长度为0，测得前轮主销方向矢量dy=3.18，dz=28.81。通过正切关系算得，此时的主销内倾角为6.30，所以模型车主销内倾角的调整范围为：0到6.30。在实际应用中，我们可以指定内倾角的角度，测得调节螺杆的实际裸露长度。1.3 前轮前束的调整所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小。左杆短，可调范围为10.818.1mm；右杆长,可调范围为29.237.6mm。前轮前束须与前轮外倾角相匹配。模型说明书中说明，前轮前束的调整靠调节舵机连杆的长度。当前轮前束为0mm时，测得两连杆长度分别为：E=33.65mm与D=16.27mm。由于调整范围较小，故前轮前束值S与每个连杆长度相对于零前束的差值x成近似线性关系。经过多次测量，此关系可表示成：S=3.34 *x (mm)1.4 前轮外倾角的调整前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1左右。它与模型车的侧滑关系较大，如为补偿侧滑，可增大前轮外倾角。前轮外倾角须与前轮前束向匹配。由于模型车车轮轴与主销角度无法调整，故前轮外倾角与主销内倾角的大小相等，方向相反。即前轮外倾角由主销内倾角决定。二、使用SoildWorks进行阿克曼转向角的分析测定2.1 阿克曼转向角的计算方法如图所示，模型车在转弯时理想的情况下各个轮胎的转向中心线应交于一点。其中模型的尺寸可从三维图中直接量得：前轮距H=124mm；轴距V=200mm。由几何关系可知：V / tan = V / tan +H ；转弯半径R也可根据图中几何关系解出。2.2 使用SoildWorks测量智能车实际的转角由于车轮的转角难于测量，故采用测量车轴的转角代替。在舵机同样的转角下，分别测得左右前轮的轮轴方向矢量，如图中，左轮dx=26.39mm，dy=11.01mm；右轮dx=24.19mm，dy=15.25mm。根据正切关系得，左前轮转角为22.65；右前轮转角为32.23。 另从三维图中可测得模型车轮距124mm，轴距200mm。2.3原车转向系统实际转向角与理论转向角的比较舵机转角（）左轮实际转角（）右轮实际转角（）右轮理论转角（）阿克曼偏差角（）理论与实际的差值（）转弯半径（mm）-38.2526.7045.5036.149.449.36350.47-35.0325.0838.8733.378.295.50379.07-29.9722.2331.2428.686.452.55439.09-25.0419.1925.0823.924.731.16522.65-19.9015.7219.3218.823.100.50656.49-14.8412.0514.0213.811.760.21881.20-9.748.128.908.890.770.011343.93-4.884.154.414.340.190.072696.810.000.000.000.000.000.005.244.714.574.480.230.092490.7810.209.408.718.530.860.181275.1215.0814.3112.6212.421.900.20852.1820.4119.9916.6616.533.470.13620.1124.7325.0319.7819.905.130.11500.6030.3532.4323.5424.507.940.96389.9735.4540.9326.6329.4111.522.78309.4039.3051.1028.7335.0116.096.28244.87 由上页数据我们可以看出，由于舵机左右连杆长度不一样，因此舵机左右转过相同的角度时，车轮转角不一样；也就是说，舵机左右转时转角与转弯半径对应的函数不一致。另外，原车转向系统在小角度时对阿克曼转角拟合的很好，只有在大角度转弯时，才有较大误差。并且随转弯半径的减小，偏差值急剧加大。因为规则中说明转弯半径最小为500mm，故原车转向系统对阿克曼转角的拟合程度较高。2.4 加长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较本例中我把舵机臂加长了10mm，并处于简单考虑，只测量了一侧的转角。舵机转角（）内侧轮实际转角（）外侧轮实际转角（）外侧轮理论转角（）阿克曼偏差角（）理论与实际的差值（）转弯半径（mm）0.000.000.000.000.000.002.804.414.414.210.200.202657.025.819.289.068.440.840.621290.278.7814.1913.5312.321.861.20859.4111.8519.9318.4016.483.451.92621.9814.8725.8923.0120.455.442.55484.6817.7432.3527.4024.447.902.96391.0220.8241.1032.0829.5111.602.58308.1022.6148.7434.7933.7315.021.06257.78由以上数据可知，采用长舵机臂的确可以提高转向的反应速率，里本例为例，舵机原来转500mm半径的弯需转25，加长舵机臂后只需转15，只需原本60%的时间。不过另一方面，此时车轮的阿克曼转角拟合的较差，误差50%以上并且角度越小，相对误差越大。经过简单的推理我们可以定性的知道，舵机臂越长，在小角度时对阿克曼转角拟合的越差。偏差值随角度的增大会有多个最大值，舵机臂越长，达到最大值所需要的角度越大，极大值也会越大。2.5 等长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较舵机转角（）内轮实际转角（）外轮实际转角（）右轮理论转角（）阿克曼偏差角（）理论与实际的差值（）转弯半径5.054.574.334.360.220.022566.1010.109.408.508.530.860.031275.1215.1514.5212.4812.571.950.09840.7619.9019.6316.0116.283.360.26630.9525.2125.9419.7620.485.460.72483.8830.4532.8523.1724.758.111.58385.1135.0441.3125.8929.6211.693.73306.4837.7248.4727.3733.5814.896.21259.32由于对称性，我同样只对半边进行了测试。从以上数据表格中我们可以知道，采用对称的舵机连杆，虽然可以使舵机左右转时转角与转弯半径对应函数不一致的情况得到解决，不过它并不能更好的对阿克曼转角进行拟合。同时我们看见，转向角的误差较原装转向系统向左半边误差略微增大，我想这是应为左边舵机连杆长度增加引起的，即舵机连杆的长度越长，对阿克曼转角的拟合误差越大。三、使用 SoildWorks 对车体进行应力分析3.1 如何对底盘进行应力分析Solidworks中的COSMOSXpress为我们提供了很好的车身应力分析途径，通过对车身设置约束点与负载，我们很容易得到车身中的应力分布情况。由于不知道车身具体什么材料，故我选用了Solidworks中定义了的一种塑料材料：中高冲力丙烯酸。并在车身加上了一些负载：电池，4N；后车架的压力，2N；电路板，2N；前轮及舵机2N。经Solidworks运算后得到如上图的应力分布图。虽然负载的数值可能不准确，不过对于我们了解车体应力分布已经是足够的了。3.2 相应的底盘轻量化方案与比较从图中我们可以发现，车身应力分布极不均匀，大部分应力分布在与后基座连接的部分，而车头前部应力较小。为了减轻车体的重量，我们可以把车身不承载大应力的部分去除。去除后对车身加以同样的约束与负载，得到如下的应力分布图：我们可以看到，车身中的应力分布均匀了一些，同时，最大应力也增加了25%。不过放心，既便如此，此时的材料安全系数仍高达400左右，所以说这样的简化是可行的。在运行Solidworks中的质量分析，得知轻量化前，车身质量 = 94.36 克；体积 = 92505.60 立方毫米；表面积 = 51541.97 平方毫米。轻量化后车身质量 = 73.79 克；体积 = 72344.48 立方毫米；表面积 = 47352.40 平方毫米。经过如此一番轻量化，我们可以在不显著减少强度的情况下使底盘减少接近四分之一的重量。四、使用 COSMOSXpress对摄像头支撑杆的分析4.1 对方钢支撑杆的分析结果由于具体的摄像头方案还没有确定，我们先拿10mm的方钢作材料进行分析，根据以往情况，我建立了一个35cm长的方钢模型，进行分析。在L型短段的末端，加上了1N的负载，模仿摄像头的重力。得到的应力分布图如下：由图中我们可以看出，摄像头支撑杆侧面的应力要小于腹部与背部的，这与我想象的正好相反。4.2 对减重孔的分析结果为了减轻重量，我们可以采取减少侧面用料的方法来优化摄像头。以下是对侧面打了减重孔之后分析出的的图形。比较以上四幅图像，我们可以看到，打了减重孔之后，摄像头支撑杆的刚度在使用范围内并没有受到影响，支撑杆的形变位移也没有什么明显变化。运行质量分析后，得到轻量化前后的质量数据：轻量化之前：密度 = 0.01 克/立方毫米，质量 = 103.79 克，体积 = 13479.85 立方毫米，表面积 = 26464.64 毫米2。轻量化之后：密度 = 0.01 克/立方毫米，质量 = 96.33 克，体积 = 12510.84 立方毫米，表面积 = 25381.37 毫米2。比较数据可知，我们辛辛苦苦打了那么多的减重孔质量减少不到5%，显然这样的优化方案是不合理的，我们应该另寻其他方案。4.3 对圆形钢支撑杆的分析结果那么支撑杆的形状会不会有什么影响？下面就是圆形钢管的应力图像与数据： 上图中的圆杆底面半径12mm，厚度0.5mm，材料不变。再次进行重力分析，得到以下数据：密度 = 0.01 克/立方毫米，质量 = 61.95 克，体积 = 8045.27 立方毫米，表面积 = 29698.11 毫米2。可以看到，此时重量已经明显减轻了，因此，圆形支撑杆比方形支撑杆在强度上更具有优势，不过比起方形支撑杆也更难于安装。另外，材料的厚度也要考虑，在强度达到要求的情况下，厚度要尽量的薄，因为减少厚度是比打减重孔更有效的减重方法。从以上各例可以看出，对材料进行应力分析能够使我们更容易发现车体的不足与冗余部分，从而为我们进行车体优化指明方向。五、提高舵机响应的另一种方案5.1 模型构建要想提高车轮转向的响应速度，就是要使舵机转过一个小角度时车轮能给出一个较大的转向角。这可以通过增长舵机臂来实现，他通过增长舵机臂，加大了舵机连杆的线速度，从而提高了车轮的相应的速度。而本方案中，通过减短车轮转臂的实际长度，在舵机连杆线速度不变的情况下，加大车轮的角速度，提高车轮的响应能力。具体方案见下图：在三维图的模拟中，并没有发现这样的改动与其他部件之间在运动时会产生什么碰撞，是个可行的方案。不过此时，舵机连杆会有一定的向前倾斜，虽然没发现这样会产生什么问题，不过总觉得这是一个隐患。改进方法之一就是把舵机也向后缩同样的长度。至于舵机后缩后会不会产生什么碰撞冲突，还有待进一步的模拟。5.2 与其他方案的对比舵机转角（）左轮实际转角（）右轮实际转角（）右轮理论转角（）阿克曼偏差角（）理论与实际的差值（）转弯半径（mm）-27.1829.1557.6140.4211.2717.19313.26-24.9827.1343.8836.889.757.00343.45-19.9922.3431.0028.866.522.15436.54-15.0217.2521.7621.023.770.74590.97-10.0011.7813.8013.461.680.33902.96-5.026.086.696.500.420.181818.940.000.000.000.000.000.004.996.426.246.010.420.241841.8810.0013.3612.1911.691.670.50910.0114.9720.9217.8017.163.750.63593.9820.0029.7223.1422.856.870.29424.5125.0240.9428.1929.4211.531.23309.3028.6555.4331.6137.3618.075.75223.59原转向系统数据舵机转角（）左轮实际转角（）右轮实际转角（）右轮理论转角（）阿克曼偏差角（）理论与实际的差值（）转弯半径（mm）-38.2526.7045.5036.149.449.36350.47-35.0325.0838.8733.378.295.50379.07-29.9722.2331.2428.686.452.55439.09-25.0419.1925.0823.924.731.16522.65-19.9015.7219.3218.823.100.50656.49-14.8412.0514.0213.811.760.21881.20-9.748.128.908.890.770.011343.93-4.884.154.414.340.190.072696.810.000.000.000.000.000.005.244.714.574.480.230.092490.7810.209.408.718.530.860.181275.1215.0814.3112.6212.421.900.20852.1820.4119.9916.6616.533.470.13620.1124.7325.0319.7819.905.130.11500.6030.3532.4323.5424.507.940.96389.9735.4540.9326.6329.4111.522.78309.4039.3051.1028.7335.0116.096.28244.87加长舵机臂后的数据舵机转角（）内侧轮实际转角（）外侧轮实际转角（）外侧轮理论转角（）阿克曼偏差角（）理论与实际的差值（）转弯半径