基于Adams的一種行程放大機構優化分析

郭蘭滿

（廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528300）

0 引言

駕駛室自動伸縮踏板在工程車輛領域的自動化無人化趨勢下應用來越普遍，其在車輛性能、安全保障、舒適、人性化設計方面將扮演更重要的角色[1]。王新智等[2]針對一種X型行程放大桿系系統闡述了機構的設計原理，并運用基于Adams的虛擬樣機技術對該機構的關鍵參數進行了優化設計。王曉磊等[3]對一種能實現機構末端位置行程放大的2自由度并聯機構進行了運動性能分析與結構參數優化。

本研究的伸縮踏板結構原理是一種可實現行程比例放大的多連桿傳動機構，該機構主要由兩級四連桿機構組成，利用四桿系行程放大原理，實現小行程驅動大行程輸出，具有結構簡單。工作平穩、經濟實用等優點。基于Adams虛擬樣機仿真軟件，對伸縮踏板桿系機構關鍵鉸點位置參數進行分析研究及優化[4]。

1 伸縮踏板行程放大機構簡介及設計分析

1.1 伸縮踏板結構簡介

伸縮踏板具體結構如圖1所示，其工作機理為：由ABOC組成組成四桿機構，通過電動推桿驅動鉸點A向前運動，帶動上搖桿和下搖桿繞A點轉動，從而連桿1和連桿2E繞O點轉動向中間收攏，在連桿3和連桿4的共同作用下推動伸縮踏板沿導軌向前移動，為保證踏板沿軌道側面受力均勻，該桿系布置為相對滑動軸線方向對稱結構。

圖1 駕駛室伸縮踏板機構原理

該機構桿件間的長度和角度關系直接影響著整個桿系行程的放大效率和受力，為了在一定范圍內得到一組較為優化的設計參數，建立了整個桿系的力學模型，運用虛擬樣機技術進行了運動學仿真，基于ADAMS進行了多變量試驗研究和優化計算[5]。

1.2 行程放大系數計算

伸縮踏板行程放大桿系機構如圖2所示。

圖2 行程放大桿系機構

由于該桿系結構相對X軸方向對稱，抽取單邊對設計參數進行分析。建立如圖2所示坐標系，以機架轉動中心O為坐標原點，設計短桿OB長度L1，長桿OD長度L2，鉸點D、A、F初始坐標分別為（xD，yD），（xA，0），（xK，0），A點移動距離AA’為LA，K點移動距離Kk’為Lk，驅動桿B初始安裝角度為α，轉動角度為β。可得到如下幾何關系：

根據式（1）及式（2）可得：

其中：B=2xα-2L1·cos（α-β）；C=2L1·xA·[cosαcos（α-β）]；M=2xk-2L·2cos（α-β）；N=2L2·x·k[cosα-cos（α-β）]

由式（3）和式（4）即可得到行程放大系數μ：

由式（5）可知，機構行程放大系數μ與桿長L1、L2、A及k初始坐標值xA、xk以及初始安裝角α有關，并且是驅動桿OB轉動角度β的函數。

1.3 機構受力分析

該機構在工作過程中，驅動力主要用于克服踏板與導軌之間的摩擦力，且運動速度緩慢，機構的受力分析假設在任意時刻均受力平衡。

以O點為坐標原點，令點B、D在任意位置的坐標分別為B（xB，yB）、D（xB，yB），AB和KD與水平線所夾銳角分別為φ和γ，根據二力桿原理及繞O點的力矩平衡方程有式（6）：

圖3 桿系受力

由式（6）得到驅動力與負載之間的比值r：

根據設計要求，考慮空間尺寸及傳動效率，在設計過程中應盡可能使行程放大系數μ最大，使驅動力比值r最小。

2 基于Adams機構仿真與鉸點優化

2.1 機構動力學仿真

基于Adams動力學仿真軟件，以電動推桿作為驅動，假設踏板勻速向右滑動，參考GB10000-88“中國成年人人體尺寸”，假定踏板負載總重75 kg，根據《機械設計手冊第五版》鋼對鋼有潤滑時摩擦系數0.1～0.12，本研究選取踏板水平方向摩擦系數0.11，則在K點施加方向向左的恒定摩擦力FKx=81 N，根據結構空間尺寸，設定踏板沿導軌可滑動距離LK=400 mm，電動推桿設定速度V=9 mm/s，仿真驅動油缸力曲線如圖4所示[6]。

圖4 驅動油缸力時域曲線

2.2 參數化建模及優化計算

以O點為整體坐標系原點，以點A、B、C、D、E的橫坐標和縱坐標建立設計變量，實現參數化，即：A（XA，0），B（XB，YB），C（XC，YC），D（XD，YD），E（XE，YE），考慮整個桿系機構相對X軸對稱，有XB=XC，YB=-YC，XD=XE，YD=-YB，設計變量的取值范圍按照相對值的方法確定，各變量下偏差設置為-30 mm，上偏差設置為+30 mm，以電動推桿的最大推力為目標函數，定義多變量試驗設計，目標函數為max（FXA），參變量為（DVXA，DVXB，DVYB，DVYD）[7]。

基于Adams軟件Insight模塊對多個設計變量進行優化計算，得到各變量在偏差范圍內推桿最小驅動力，優化計算結果見表1。

表1 鉸點坐標優化迭代結果

由表1可知，設計變量XA取值64、XB取值113、YB取值154、XD取值473，YD取值191時，電動推桿作用力由最大值721 N減小為最小值463 N，電動推桿作用力優化前后曲線如圖5所示。

圖5 電動推桿作用力優化前后曲線對比

3 結論

（1）建立駕駛室伸縮踏板行程放大機構虛擬樣機模型并進行仿真，基于Adams/Insight模塊對各鉸點位置建立設計變量并進行了優化，提供了一種機構最優設計方法。

（2）通過對目標函數的優化計算，得到各連桿鉸點在變量范圍內的最優點坐標，電動推桿作用力由最大值減小為最小值，可有效減低電動推桿選型成本，使驅動力時間曲線更趨平緩，機構運行更加高效。

（3）使用Adams軟件進行機構的優化設計省時高效，可以得到精確直觀的載荷曲線及結果參數，為后續系統多目標函數聯合優化提供參考。