基于soildworks的机械分析报告(飞思卡尔)本科学位论文

基于SoildWorks的机械分析报告

Ver3.0

2009-2-5

飞思卡尔智能汽车项目组

版本修订记录

目录

引言 (5)

1. 前轮参数的调整 (6)

1.1 主销后倾角的调整 (6)

1.2 主销内倾角的调整 (7)

1.3 前轮前束的调整 (8)

1.4 前轮外倾角的调整 (9)

2. 使用SoildWorks 进行阿克曼转向角的分析测定 (9)

2.1 阿克曼转向角的计算方法 (9)

2.2 使用SoildWorks 测量智能车实际的转角 (10)

2.3 原车转向系统实际转向角与理论转向角的比较 (11)

2.4 加长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较 (12)

2.5 等长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较 (13)

3. 使用COSMOSXpress 对车体进行应力分析 (15)

3.1 如何对底盘进行应力分析 (15)

3.2 相应的底盘轻量化方案与比较 (16)

4. 使用COSMOSXpress对摄像头支撑杆的分析 (17)

4.1 对方钢支撑杆的分析结果 (17)

4.2 对减重孔的分析结果 (18)

4.3 对圆形钢支撑杆的分析结果 (20)

5. 提高舵机响应的另一种方案 (22)

5.1 模型构建 (22)

5.2 与其他方案的对比 (23)

6. 其他分析与优化调整 (25)

6.1 重心位置 (25)

7. 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）

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SolidWorks COSMOSXpress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。

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

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。

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。

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：

V / tan α= V / tan β+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。

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）

-38.25 26.70 45.50 36.14 9.44 9.36 350.47 -35.03 25.08 38.87 33.37 8.29 5.50 379.07 -29.97 22.23 31.24 28.68 6.45 2.55 439.09

-25.04 19.19 25.08 23.92 4.73 1.16 522.65 -19.90 15.72 19.32 18.82 3.10 0.50 656.49 -14.84 12.05 14.02 13.81 1.76 0.21 881.20 -9.74 8.12 8.90 8.89 0.77 0.01 1343.93 -4.88 4.15 4.41 4.34 0.19 0.07 2696.81

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

5.24 4.71 4.57 4.48 0.23 0.09 2490.78

10.20 9.40 8.71 8.53 0.86 0.18 1275.12

15.08 14.31 12.62 12.42 1.90 0.20 852.18

20.41 19.99 16.66 16.53 3.47 0.13 620.11

24.73 25.03 19.78 19.90 5.13 0.11 500.60

30.35 32.43 23.54 24.50 7.94 0.96 389.97

35.45 40.93 26.63 29.41 11.52 2.78 309.40

39.30 51.10 28.73 35.01 16.09 6.28 244.87

由上页数据我们可以看出，由于舵机左右连杆长度不一样，因此舵机左右转过相同的角度时，车轮转角不一样；也就是说，舵机左右转时转角与转弯半径对应的函数不一致。

另外，原车转向系统在小角度时对阿克曼转角拟合的很好，只有在大角度转弯时，才有较大误差。并且随转弯半径的减小，偏差值急剧加大。因为规则中说明转弯半径最小为500mm，

故原车转向系统对阿克曼转角的拟合程度较高。

2.4 加长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较

本例中我把舵机臂加长了10mm ，并处于简单考虑，只测量了一侧的转角。 舵机转角（°） 内侧轮实际转角（°） 外侧轮实际转角（°） 外侧轮理论转角（°） 阿克曼偏差角（°） 理论与实际的差值（°） 转弯半

径（mm ）

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.80 4.41 4.41 4.21 0.20 0.20 2657.02 5.81 9.28 9.06 8.44 0.84 0.62 1290.27 8.78 14.19 13.53 12.32 1.86 1.20 859.41 11.85 19.93 18.40 16.48 3.45 1.92 621.98 14.87 25.89 23.01 20.45 5.44 2.55 484.68 17.74 32.35 27.40 24.44 7.90 2.96 391.02 20.82 41.10 32.08 29.51 11.60 2.58 308.10 22.61

48.74

34.79

33.73 15.02 1.06

257.78

由以上数据可知，采用长舵机臂的确可以提高转向的反应速率，里本例为例，舵机原来转500mm半径的弯需转25°，加长舵机臂后只需转15°，只需原本60%的时间。

不过另一方面，此时车轮的阿克曼转角拟合的较差，误差50%以上并且角度越小，相对误差越大。经过简单的推理我们可以定性的知道，舵机臂越长，在小角度时对阿克曼转角拟合的越差。偏差值随角度的增大会有多个最大值，舵机臂越长，达到最大值所需要的角度越大，极大值也会越大。

2.5 等长舵机臂转向系统实际转向角与理论转向角的比较

由于对称性，我同样只对半边进行了测试。

从以上数据表格中我们可以知道，采用对称的舵机连杆，虽然可以使舵机左右转时转角与转弯半径对应函数不一致的情况得到解决，不过它并不能更好的对阿克曼转角进行拟合。

同时我们看见，转向角的误差较原装转向系统向左半边误差略微增大，我想这是应为左边舵机连杆长度增加引起的，即舵机连杆的长度越长，对阿克曼转角的拟合误差越大。

舵机转角（°） 内轮实际转角（°） 外轮实际转角（°） 右轮理论转角（°） 阿克曼偏差角（°） 理论与实际

的差值（°） 转弯半径

5.05 4.57 4.33 4.36 0.22 0.02 256

6.10 10.10 9.40 8.50 8.53 0.86 0.03 1275.12 15.15 14.52 12.48 12.57 1.95 0.09 840.76 19.90 19.63 16.01 16.28 3.36 0.26 630.95 25.21 25.94 19.76 20.48 5.46 0.72 483.88 30.45 32.85 23.17 24.75 8.11 1.58 385.11 35.04 41.31 25.89 29.62 11.69 3.73 306.48 3

7.72 4

8.47 27.37 33.58 14.89 6.21 25

9.32

三、使用SoildWorks 对车体进行应力分析

3.1 如何对底盘进行应力分析

Solidworks中的COSMOSXpress为我们提供了很好的车身应力分析途径，通过对车身设置约束点与负载，我们很容易得到车身中的应力分布情况。

由于不知道车身具体什么材料，故我选用了Solidworks中定义了的一种塑料材料：中高冲力丙烯酸。并在车身加上了一些负载：电池，4N；后车架的压力，2N；电路板，2N；前轮及舵机2N。经Solidworks运算后得到如上图的应力分布图。虽然负载的数值可能不准确，不过对于我们了解车体应力分布已经是足够的了。