殘疾人無縫對接系統的設計與仿真

張曉艷，吳帥

(長城汽車股份有限公司，河北保定 071000)

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殘疾人無縫對接系統的設計與仿真

張曉艷，吳帥

(長城汽車股份有限公司，河北保定 071000)

針對殘疾人遠距離出行不便，設計了殘疾人無縫對接系統。殘疾人乘坐輪椅通過輪椅舉升裝置進入汽車駕駛室，由輪椅代替駕駛座椅，實現駕車遠距離出行。為了驗證系統工作的穩定性，建立基于ADAMS的虛擬樣機模型，對輪椅舉升裝置工作過程進行動態仿真，結果表明此系統工作穩定可靠。基于OptiStruct對主要部件進行拓撲優化設計，得到了理想的輕量化結構。

輪椅舉升裝置；動力學仿真；拓撲優化

0　引言

殘疾人的數量在不斷地增長，其中大部分殘疾人的日常出行是依靠輪椅代步完成的，但是輪椅代步只能實現短距離出行。要想實現遠距離出行，需要借助可載輪椅的殘疾人車。日本豐田公司于2007年設計出可載10人的殘疾人車，這種殘疾人車是通過輪椅升降機來完成輪椅蹬車動作的。美國的Harmar公司也有類似的產品。殘疾人如何借助可載輪椅的殘疾人車進行遠距離出行的問題，需要研究解決。針對這一問題，設計了殘疾人無縫對接系統，通過動力學仿真分析，驗證其工作的可靠性，并針對關鍵零部件進行優化設計。

1　殘疾人無縫對接系統整體設計

1.1設計要求

殘疾人無縫對接系統是一種能夠滿足使用輪椅代步的殘疾人借助可載輪椅的汽車遠距離出行要求的系統。該系統的設計要求分為以下幾點：運動軌跡符合運動要求；舉升力變化規律合理；構件布置合理，不出現干涉情況；構件內部的傳動力與傳遞的功率要小；在滿足機械性能和結構尺寸的前提下，機構要求結構簡單、合理、可靠。

1.2工作過程

乘車時，舉升平臺運動到水平地面上，輪椅駛上舉升平臺，舉升平臺舉升輪椅與乘客到車廂地板齊平位置，乘客乘坐輪椅進入駕駛室，舉升平臺折翻收回。

1.3整體設計方案

對接系統(見圖1)包括后排可折疊座椅、輪椅舉升裝置、舉升平臺回位機構、輪椅。輪椅舉升裝置包括底座、下橫臂、上橫臂、舉升臂、舉升平臺、電動推桿。后排可折疊座椅在輪椅進入駕駛室時折疊避讓。輪椅舉升裝置整體安裝在汽車地板上。底座安裝于地板上，下橫臂鉸接安裝在底座下安裝點，上橫臂鉸接安裝在底座上安裝點，下橫臂與上橫臂另一端鉸接安裝在舉升臂上，電動推桿鉸接安裝在底座和下橫臂上，舉升平臺鉸接安裝在舉升臂上。

1.4輪椅舉升裝置的設計

輪椅舉升裝置(見圖2)應用平行四桿機構原理進行設計，選取電動推桿提供動力。整個工作過程，電動推桿推動輪椅舉升裝置完成輪椅升降運動。

1.5舉升平臺回位機構的設計

舉升平臺回位機構(見圖3)同樣應用四桿機構來實現折翻回位運動。機構的自由度為1，其運動軌跡是唯一確定的[4]。

2　三維模型建立

應用UG7.0建立三維實體模型，如圖4所示。

3　基于ADAMS動力學分析

3.1創建多剛體虛擬樣機模型

(1)建立模型

將應用UG7.0建立的三維實體模型導入ADAMS中，建立多剛體虛擬樣機模型。電動推桿的舉升力作為研究內容，輪椅舉升到車廂地板齊平位置時電動推桿共伸出72 mm，驅動函數選擇STEP函數，函數為：(72/16)*Time。函數曲線見圖5。

(2)模型檢驗

模型檢驗是指檢測模型中是否存在錯誤的連接和約束，是否存在沒有約束的零件，同時需排除多余的約束。經過分析得知，模型合格。

3.2虛擬樣機模型仿真分析

仿真分析基于以下假設條件：

(1)蹬車過程中車輛位于平整的路面上；

(2)蹬車過程中不存在偏載情況；

(3)左右兩個電動推桿運動是一致的。

典型工況畫面見圖6。

3.3結果分析

對殘疾人無縫對接系統輪椅舉升裝置的工作特性進行仿真分析，設置以下需要測量的數據，如圖7所示。

(1)下拉臂與舉升臂安裝位置點B及電動推桿安裝點C、F受力曲線，見圖8。

結果分析：t=0～16 s點B受力變化很小，受力平穩; 點C、F受力逐漸減小，其原因是電動推桿的作用力臂不斷增大;t=16～25 s，各點受力不斷減小，這是因為輪椅駛離舉升平臺。此過程機構的受力狀況變化平穩。

(2)舉升平臺的速度及加速度隨時間變化的曲線見圖9。

結果分析：t=0～16 s，舉升平臺速度先增大后減小，其加速度很小，此過程機構工作平穩;t=16～20 s輪椅駛離舉升平臺，舉升平臺速度為0;t=20～25 s是舉升平臺折翻回位過程，速度先增大后減小，平臺無載荷，速度變化較快，整個過程運動狀況與實際符合。

(3)電動推桿伸出長度與舉升平臺運動速度及加速度關系曲線見圖10。

結果分析：推桿伸出長度0～72 mm為輪椅舉升過程，舉升平臺的速度先增加后減小，加速度幾乎為0，運動較平穩;當伸出長度為72～100 mm時，此過程為舉升平臺折翻回位過程，舉升平臺的速度先增加再減小，變化較快，整個過程運動狀況與實際符合。

通過上述仿真分析得知，裝置整個工作過程平穩可靠。

4　支座拓撲優化

4.1拓撲優化數學模型建立

支座拓撲優化的數學模型[6]為：

求：

X=[X1,X2,…,Xn]T

(1)

Min：C=FTU

(2)

(3)

式中：Xi(i=1,2,3,…,n)為設計變量；C為結構的柔順度；F為載荷矢量；U為位移矢量；k為剩余材料百分比；V1為優化后體積；V0為設計區域體積；K為剛度矩陣。

4.2拓撲優化有限元模型建立

定義設計區域與非設計區域時，部件的裝配要求需要考慮在內。底座的鉸接位置安裝其他零部件，所以其周邊定義為非設計區域，剩余部分是設計區域。劃分好的網格包括26 896個節點和20 548個單元，見圖11。

通過ADAMS/View獲取底座鉸接處點D、點A、點F的受力曲線，從這3個點的受力曲線(整個蹬車過程的受力情況)上提取了具有代表性的4個時刻的4組特征數據(X向與Y向數值)，作為FEA模型的輸入載荷(見表1)。

表1底座鉸接位置受力表

N

根據預期目標設置設計變量、約束條件、優化目標三大優化邊界條件，建立如圖12所示的優化分析模型。

4.3拓撲優化結果分析

通過OptiStruct求解器求得閾值為0.3的拓撲優化結果，見圖13。

結果表明：設計區域出現了材料空缺。根據優化結果，建立底座的三維模型，見圖14。

4.4優化前后靜力學性能對比

優化后的支座結構變化明顯，其靜力學性能會相應變化，對比分析4種工況下的靜力學性能。

原結構在受力為F1時的應力最大，為27.4MPa。優化后結構的最大應力同樣發生在F1，為87.9MPa，雖然應力增大了，但在允許范圍之內，符合設計要求。

經過優化后的結構應變減小，其剛度增大。原結構的質量為2kg，優化后的質量為1.44kg，總體減輕18%，達到了預期的優化效果。

5　結論

所設計的殘疾人無縫對接系統，為殘疾人的出行提供了方便。通過基于ADAMS的動力學仿真分析和基于OptiStruct的優化設計，產品的設計質量得以提高，研發周期得以縮短，開發成本大大降低，同時為該類產品今后的研究開發打下了基礎。

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Design and Simulation for the Seamless Docking System of Disabled Car

ZHANG Xiaoyan, WU Shuai

(Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China )

Seamless docking system was designed to solve the long-range travel for disabled people. Through the wheelchair lifting device, disabled people who in wheelchair could be pedaled into the cab instead of the driver’s seat, driving long-distance travel demand was achieved.In order to verify the stability of the system, a virtual prototype model was established and the dynamic simulation was analyzed by ADAMS software.The results show that the system is reliable. Topological optimization technology was applied to the main components of the pedaling lifting system,by which an ideal structure of lightweight was gotten.

Wheelchair lifting device; Dynamic simulation; Topological optimization

2016-03-17

張曉艷(1987—)，女，碩士，助理工程師，主要從事汽車底盤設計工作。E-mail:zhang_xiaoyan2016@126.com。

U462.1

B

1674-1986(2016)07-038-05