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基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE1OF26—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基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE2OF26—版本修订记录版本号修订日期修订人修订内容Ver1.02009-1-12姚叶明初始化版本Ver1.12009-1-18姚叶明完善前轮参数及阿克曼转角的分析Ver2.02009-1-21姚叶明增加了的应力分析一章Ver2.12009-1-25姚叶明补充了等舵机连杆长度的阿克曼转向角分析Ver2.22009-1-30姚叶明补充了对摄像头支架的应力分析Ver3.02009-2-4姚叶明增加了关于提高舵机响应的另一种方案的阐述基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE3OF26—目录引言…………………………………………………………………………………………51.前轮参数的调整………………………………………………………………………61.1主销后倾角的调整……………………………………………………………61.2主销内倾角的调整……………………………………………………………71.3前轮前束的调整………………………………………………………………81.4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…………………………………92.1阿克曼转向角的计算方法……………………………………………………92.2使用SoildWorks测量智能车实际的转角…………………………………102.3原车转向系统实际转向角与理论转向角的比较……………………………112.4加长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较……………………122.5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………………………………………153.1如何对底盘进行应力分析……………………………………………………153.2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……………………………………174.1对方钢支撑杆的分析结果……………………………………………………174.2对减重孔的分析结果…………………………………………………………184.3对圆形钢支撑杆的分析结果…………………………………………………20基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE4OF26—5.提高舵机响应的另一种方案…………………………………………………………225.1模型构建………………………………………………………………………225.2与其他方案的对比……………………………………………………………236.其他分析与优化调整…………………………………………………………………256.1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）基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE5OF26—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SolidWorksCOSMOSXpress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。基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE6OF26—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tanα=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基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE7OF26—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。基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE8OF26—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10.8~18.1mm；右杆长,可调范围为29.2~37.6mm。前轮前束须与前轮外倾角相匹配。基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE9OF26—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Δx成近似线性关系。经过多次测量，此关系可表示成：S=3.34*Δx(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：基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE10OF26—V/tanα=V/tanβ+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。基于SoildWorks的机械优化设计Ver3.0ByYaoyeming@freescaleIA—PAGE11OF26—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车轮转向角0.0010.0020.0030.00