老年代步车的建模及转向性能分析

                       李芸¹，张晓秋²

             （1.兰州石化职业技术学院  甘肃兰州   730060；2.吉林油田公司前郭矿区服务公司，吉林 松原 138000）

摘要：老年代步车对安全性、舒适性、经济性、使用便利性有较高的要求。本文运用UG建模软件创建老年人代步电动车整车模型，将老年人代步电动车的整车模型导入ADAMS软件中，通过创建相应的约束关系和驱动方式，建立了老年人代步电动车虚拟样机模型，并对其老年人代步电动车的转向性能进行了仿真，通过仿真结果分析对老年人代步电动车的性能做出评价。

关键字：老年人代步电动车， UG，ADAMS仿真

Modeling and steering performance analysis of Elderly scooter electric car

Li  Yun¹，Zhang Xiao-qiu²

(1.Lanzhou petrochemical vocationl college of technology,Lanzhou Gansu 730060,China；2.Foreland Mining Service Company，Jilin Oilfield Company，Songyuan Jilin 138000，China)

Abstract：The old scooter has higher requirements for safety, comfort, economy and convenience. In this paper, the model of the old people's electric vehicle is established by the UG modeling software, and the whole vehicle model of the elderly people is introduced into the ADAMS software. By creating the corresponding constraint relationship and driving mode, the virtual prototype model of the elderly person is set up, and the steering performance of the old man is carried out. the performance of the geriatric walking electric vehicle is evaluated by The simulated results

Key words： Elderly scooter electric car, UG, ADAMS simulation

目前，随着人口老龄化、能源危机、环境污染及交通拥堵等诸多问题的相继出现，老年人代步电动车应运而生。在对环境日益关注的今天，老年代步车作为新一代“绿色”交通工具的代步电动车的推广是一项造福社会和人类的工程。不论从市场需求的角度出发，还是从以人为本的设计思想出发，电力能源驱动技术都将对社会做出巨大贡献，既方便人们的生活又缓解了能源、环境危机。老年人代步电动车使用对象是老年人和少量居家妇人，对安全性、舒适性、经济性、使用便利性有较高的要求。因此需要建立老年代步电动车的三维模型并对其进行仿真分析，研究老年代步电动车的转向特性、行驶性能、悬架性能等，对老年代步电动车的整车性能做一个整体评估，使其保证老年人的出行方便、安全。

1. 老年人代步电动车结构特点和要求

老年人代步电动车一般由动力系统、电池管系统、手控操作系统和车身底盘等组成。动力系统主要是动力电池，它为电动汽车的驱动电动机提供电能，通过电动机将动力电池的化学能转化为机械能，再直接通过传动装置驱动车轮工作。电动机的功率和性能决定了电动汽车时速快慢和速度，而续驶里程的长短是由车载动力电池容量的大小来决定。手控操作系统对老年人来说是非常重要的，既要操作方便，还要操控简单。车身底盘能搭载高性能的电动机和大容量的锂离子电池，是电动汽车行驶必不可少的系统。整体刚性的提高，是电动汽车车身底盘的特征之一。

目前市场上的代步电动车主要是面向老年人和居家妇人，但销售对象以老年人为主。首先，车速不可过高，国际上对老年人代步电动车的车速要求标准时8公里每小时，这个速度更适合老年人群使用。其次，刹车也是体现安全性的一个重大方面，刹车制动要灵敏、稳定、可靠，现在很多老年人代步电动车刹车装置为电子电磁自刹车，在上、下坡时，代步电动车会自动带上一点刹车，做到下坡无惯性，上坡不滑溜，从本质上杜绝了上下坡时的一切安全问题。另外，老年人代步电动车还要求舒适性、经济性、便利性和环保性。

2. 老年人代步电动车UG模型的建立

该老年人代步电动车主要由驱动机构、人椅机构、车架机构、前悬架机构、轮胎转向机构五大部件组成，其中主要部件通过对维草图拉伸、旋转或者镜像等操作建立实体模型。

2.1 老年代步车零件模型

车架是零件的装配基体，其刚度和质量影响整车的性能，其主要由管材焊接而成，因此车架三维模型的建立主要是通过对草图的拉伸而成，最后布尔求和将其连接为一个整体。车架三维模型如图1(a)所示。车把手是老年人代步电动车转向系统的一部分，人对车把手施加力矩，进而通过转向梯形使左右两侧车轮按一定规律发生转动。车把手三维模型如图1(b)所示。悬架横臂是组成双横臂悬架不可缺少的部分，该老年人代步电动车前悬架采用双横臂悬架。其中悬架臂实体模型如图1(c)所示.悬架减震器活塞三维模型，座椅三维模型和轮毂的三维模型如图1(d-f)所示：

完成了老年人代步电动车各个零件的三维建模后，接下来要在装配模块中进行装配，使各个零件之间建立相应的约束，保证各个零件在正确的位置。

(a)                                 (b)                                  (c)

(d)                                (e)                                  (f)

图1    车架零件模型

2.2老年人代步电动车装配

对零部件进行装配时，通过装配中的装配约束对零部件建立适合的约束，完成整车的装配。减震器的装配图、转向系统总成、驱动桥总成如图2所示。

(a)                                 (b)                                  (c)

图2     减震器、转向系统总成和驱动桥总成的装配图

装配是一个反复的过程，在添加组件后，有时需要对零件进行适当的移动，装配才能比较顺利的进行，整车总成如图3所示。

图3     整车总成

3. 基于ADAMS的老年人代步电动车性能仿真分析

导入物体模型后，需要使用约束副将各个构件连接起来，以限制或定义构件之间的某些相对运动。利用ADAMS/View的模型检验工具可以得约束、运动副等数量，并检查是否有过约束出现，模型建立是否合理。另外通过模型检验还可以了解到该模型包括1个移滑副，4个固定副，45个运动部件，29个旋转副，4个球绞副。图4所示为约束副添加完后的老年人代步电动车模型。

图4    代步电动车的虚拟样机模型

汽车在行驶过程中，根据道路的实际状况，经常需要改变其行驶方向。因此要求转向灵活、轻便。当汽车转向行驶时，为了减轻路面对汽车行驶的附加阻力以及轮胎磨损过快，要求转向系统保证代步车所有的车轮都作纯滚动。所以，必须是所有车轮的轴线都相交于一点时才能实现汽车转向这一要求。此交点O称为转向中心。对于该老年人代步电动车，内转向轮偏转角应大于外转向轮偏转角、、的理想关系式应该为：

其中，为内转向轮偏转角；为外转向轮偏转角；K为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；L为汽车轴距。

理想的转向梯形应使内外轮的转角满足，利用matlab软件编程，程序如下：

neijiao=0:1:50;  B=700;L=930;

waijiao=acot(cot(neijiao*pi/180)+B/L)*180/pi;

  plot(neijiao,waijiao);

xlabel('neijiao（deg）')

ylabel('waijiao（deg）')

  title('zhuanxiuangtixingfangzhen')

利用ADAMS/View对老年人代步电动车的转向梯形进行仿真，得到两个前轮转角的实际关系，然后跟两侧转向轮偏转角的理想关系对比。在ADAMS/View中编写出内转向轮偏转角随时间变化的函数：

ATAN(DZ(MARKER_116, MARKER_132)/DY(MARKER_116, MARKER_132))，

外转向轮偏转角随时间变化的函数：

ATAN(DZ(MARKER_118, MARKER_125)/DY(MARKER_118, MARKER_125))，

图5    前轮转角的理想关系和前轮转角实际关系

图5所示为两个前轮转角理想关系和两个前轮转角的实际关系的对比图。由图5可知转向误差与车轮转角的关系，当转角增加大，转向误差随之增大，并且在内侧轮转角为50度时，转向误差达到22.85%，前轮已经发生了严重的侧滑，加剧了轮胎的磨损、减小了轮胎的寿命。

电动车的转弯半径在很大程度上表征了汽车能够通过狭窄弯曲地带或绕过不可越过的障碍物的能力。转弯半径越小，汽车的机动性能越好。根据此款老年人代步电动车的设计参数，得知转向梯形底角，梯形臂长度，车轮轴距，主销偏移距，两主销中心延长线与地面交点间的距离，分别是内、外转向车轮的转向角，为车辆最小转弯半径。添加好轮胎路面后，设置代步电动车的外前轮转向角和内前轮转向角，进行模拟仿真,如图6。

图6    转向时质心轨迹图

代步电动车的转弯半径1.5米左右，因此该老年人代步电动车具有良好的转向性能。

4. 结论

本文主要以老年人代步电动车为研究对象，运用UG建模软件创建老年人代步电动车整车模型，随后用ADAMS软件对老年人代步电动车的转向性能进行了仿真模拟分析。为了避免汽车行驶过程中附加阻力以及轮胎的加速磨损，轮的轴线必须相交于一点，从而保证汽车的所有车轮均作纯滚动。该老年代步车的转弯半径仅为1.5米，转弯半径越小，汽车的机动性能越好。

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作者简介：李芸（1966-），女，甘肃金昌人，副教授，主要从事机械制造的教学与研究工作。

    项目：甘肃省自然科学基金项目（编号：17JR5RA006)