基于Adams的一种行程放大机构优化分析

郭兰满

（广东博智林机器人有限公司，广东 佛山 528300）

0 引言

驾驶室自动伸缩踏板在工程车辆领域的自动化无人化趋势下应用来越普遍，其在车辆性能、安全保障、舒适、人性化设计方面将扮演更重要的角色[1]。王新智等[2]针对一种X型行程放大杆系系统阐述了机构的设计原理，并运用基于Adams的虚拟样机技术对该机构的关键参数进行了优化设计。王晓磊等[3]对一种能实现机构末端位置行程放大的2自由度并联机构进行了运动性能分析与结构参数优化。

本研究的伸缩踏板结构原理是一种可实现行程比例放大的多连杆传动机构，该机构主要由两级四连杆机构组成，利用四杆系行程放大原理，实现小行程驱动大行程输出，具有结构简单。工作平稳、经济实用等优点。基于Adams虚拟样机仿真软件，对伸缩踏板杆系机构关键铰点位置参数进行分析研究及优化[4]。

1 伸缩踏板行程放大机构简介及设计分析

1.1 伸缩踏板结构简介

伸缩踏板具体结构如图1所示，其工作机理为：由ABOC组成组成四杆机构，通过电动推杆驱动铰点A向前运动，带动上摇杆和下摇杆绕A点转动，从而连杆1和连杆2E绕O点转动向中间收拢，在连杆3和连杆4的共同作用下推动伸缩踏板沿导轨向前移动，为保证踏板沿轨道侧面受力均匀，该杆系布置为相对滑动轴线方向对称结构。

图1 驾驶室伸缩踏板机构原理

该机构杆件间的长度和角度关系直接影响着整个杆系行程的放大效率和受力，为了在一定范围内得到一组较为优化的设计参数，建立了整个杆系的力学模型，运用虚拟样机技术进行了运动学仿真，基于ADAMS进行了多变量试验研究和优化计算[5]。

1.2 行程放大系数计算

伸缩踏板行程放大杆系机构如图2所示。

图2 行程放大杆系机构

由于该杆系结构相对X轴方向对称，抽取单边对设计参数进行分析。建立如图2所示坐标系，以机架转动中心O为坐标原点，设计短杆OB长度L1，长杆OD长度L2，铰点D、A、F初始坐标分别为（xD，yD），（xA，0），（xK，0），A点移动距离AA’为LA，K点移动距离Kk’为Lk，驱动杆B初始安装角度为α，转动角度为β。可得到如下几何关系：

根据式（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数μ：

由式（5）可知，机构行程放大系数μ与杆长L1、L2、A及k初始坐标值xA、xk以及初始安装角α有关，并且是驱动杆OB转动角度β的函数。

1.3 机构受力分析

该机构在工作过程中，驱动力主要用于克服踏板与导轨之间的摩擦力，且运动速度缓慢，机构的受力分析假设在任意时刻均受力平衡。

以O点为坐标原点，令点B、D在任意位置的坐标分别为B（xB，yB）、D（xB，yB），AB和KD与水平线所夹锐角分别为φ和γ，根据二力杆原理及绕O点的力矩平衡方程有式（6）：

图3 杆系受力

由式（6）得到驱动力与负载之间的比值r：

根据设计要求，考虑空间尺寸及传动效率，在设计过程中应尽可能使行程放大系数μ最大，使驱动力比值r最小。

2 基于Adams机构仿真与铰点优化

2.1 机构动力学仿真

基于Adams动力学仿真软件，以电动推杆作为驱动，假设踏板匀速向右滑动，参考GB10000-88“中国成年人人体尺寸”，假定踏板负载总重75 kg，根据《机械设计手册第五版》钢对钢有润滑时摩擦系数0.1～0.12，本研究选取踏板水平方向摩擦系数0.11，则在K点施加方向向左的恒定摩擦力FKx=81 N，根据结构空间尺寸，设定踏板沿导轨可滑动距离LK=400 mm，电动推杆设定速度V=9 mm/s，仿真驱动油缸力曲线如图4所示[6]。

图4 驱动油缸力时域曲线

2.2 参数化建模及优化计算

以O点为整体坐标系原点，以点A、B、C、D、E的横坐标和纵坐标建立设计变量，实现参数化，即：A（XA，0），B（XB，YB），C（XC，YC），D（XD，YD），E（XE，YE），考虑整个杆系机构相对X轴对称，有XB=XC，YB=-YC，XD=XE，YD=-YB，设计变量的取值范围按照相对值的方法确定，各变量下偏差设置为-30 mm，上偏差设置为+30 mm，以电动推杆的最大推力为目标函数，定义多变量试验设计，目标函数为max（FXA），参变量为（DVXA，DVXB，DVYB，DVYD）[7]。

基于Adams软件Insight模块对多个设计变量进行优化计算，得到各变量在偏差范围内推杆最小驱动力，优化计算结果见表1。

表1 铰点坐标优化迭代结果

由表1可知，设计变量XA取值64、XB取值113、YB取值154、XD取值473，YD取值191时，电动推杆作用力由最大值721 N减小为最小值463 N，电动推杆作用力优化前后曲线如图5所示。

图5 电动推杆作用力优化前后曲线对比

3 结论

（1）建立驾驶室伸缩踏板行程放大机构虚拟样机模型并进行仿真，基于Adams/Insight模块对各铰点位置建立设计变量并进行了优化，提供了一种机构最优设计方法。

（2）通过对目标函数的优化计算，得到各连杆铰点在变量范围内的最优点坐标，电动推杆作用力由最大值减小为最小值，可有效减低电动推杆选型成本，使驱动力时间曲线更趋平缓，机构运行更加高效。

（3）使用Adams软件进行机构的优化设计省时高效，可以得到精确直观的载荷曲线及结果参数，为后续系统多目标函数联合优化提供参考。