基于MATLAB和ADAMS的叉車曲柄滑塊式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

張?jiān)雒? 韓飛坡 李逸天 劉云松

摘要：曲柄滑塊式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是一種常見的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其作為叉車轉(zhuǎn)向橋的核心機(jī)構(gòu)對(duì)叉車的轉(zhuǎn)向功能具有至關(guān)重要的作用.本文通過對(duì)該機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)分析、數(shù)學(xué)建模，確定出了該機(jī)構(gòu)外輪實(shí)際轉(zhuǎn)角、理論轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，將兩者之間的最大偏差值的最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，利用MATLAB提供的優(yōu)化算法，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).根據(jù)優(yōu)化所得尺寸參數(shù)，在ADAMS中建立相應(yīng)的虛擬樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)做了運(yùn)動(dòng)仿真分析，分析數(shù)據(jù)表明優(yōu)化參數(shù)合理、準(zhǔn)確.

關(guān)鍵詞：MATLAB;ADAMS;轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）02-0075-02

0 引言

叉車是機(jī)動(dòng)工程車輛的典型機(jī)種，常常在碼頭、工業(yè)貨倉(cāng)、工廠等物流集散地進(jìn)行堆碼、拆垛、轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè).在叉車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，由于曲柄滑塊式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向性能優(yōu)良，使用該機(jī)構(gòu)制造的轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)緊湊、可以輸出較大轉(zhuǎn)向力矩，該機(jī)構(gòu)在叉車整車設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用[1].

低頻率的直線行駛、高頻率的轉(zhuǎn)向是叉車作業(yè)主要特點(diǎn)，頻繁的轉(zhuǎn)向會(huì)造成叉車輪胎壽命大大縮短，因此，對(duì)叉車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析具有深遠(yuǎn)的意義.

1 叉車曲柄滑塊式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型簡(jiǎn)化及數(shù)學(xué)模型建立

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖1所示，圖中各符號(hào)所對(duì)應(yīng)原轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)含義如下：r-轉(zhuǎn)向節(jié)節(jié)臂長(zhǎng)度;f-連接桿長(zhǎng)度;e-油缸偏距;M-主銷中心距;θ-初始時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)節(jié)臂和主銷孔中心線夾角;H-油缸活塞桿總長(zhǎng);T0-初始時(shí)油缸活塞端部到主銷距離;S-油缸活塞桿在水平方向上移動(dòng)距離.該機(jī)構(gòu)在油缸的驅(qū)動(dòng)下，油缸活塞桿沿水平位置向右移動(dòng)，機(jī)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由粗實(shí)線位置轉(zhuǎn)移至細(xì)單點(diǎn)長(zhǎng)劃線位置.此時(shí)，左、右車輪轉(zhuǎn)過的角度分別為α、λ.

3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型驗(yàn)證分析

根據(jù)MATLAB優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)尺寸，利用ADAMS軟件[3]對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行幾何體建模，并施加約束副和驅(qū)動(dòng)副，最終樣機(jī)模型如下：

在樣機(jī)模型上對(duì)內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角分別創(chuàng)建測(cè)量函數(shù)，并利用ADAMS/PostProcessor繪制出內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，圖4中橫坐標(biāo)為該機(jī)構(gòu)的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)為該機(jī)構(gòu)的外輪轉(zhuǎn)角.

圖4所得內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖應(yīng)與叉車只做純滾動(dòng)時(shí)內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角的理論關(guān)系圖一致.為此可以將樣機(jī)中的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)的形式（將上圖中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)從ADAMS導(dǎo)出），并利用MATLAB工具將其與叉車純滾動(dòng)時(shí)的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系做對(duì)比.

圖5顯示了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在實(shí)際和理想情況下的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系，其中實(shí)線是理想情況下的轉(zhuǎn)角關(guān)系情況，虛線是優(yōu)化后機(jī)構(gòu)的實(shí)際轉(zhuǎn)角情況.從圖中可以看出，優(yōu)化后的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系與理論的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系一致.

圖6為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在實(shí)際、理論情況下的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角誤差曲線圖.從圖中可以看出，本次優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角誤差不大于0.7°，完全滿足實(shí)際需求，因此優(yōu)化參數(shù)合理.

4 結(jié)束語

對(duì)叉車曲柄滑塊式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了幾何、運(yùn)動(dòng)分析，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，使用MATLAB工具箱對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析.根據(jù)MATLAB提供的優(yōu)化尺寸數(shù)據(jù)，在ADAMS軟件中對(duì)其建模并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到樣機(jī)內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系，同時(shí)將內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系在實(shí)際樣機(jī)和理論情況下做對(duì)比.最終可知，通過MATLAB優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)尺寸所建立的樣機(jī)，其內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系與理想狀態(tài)下的內(nèi)、外轉(zhuǎn)角關(guān)系極為吻合，最大轉(zhuǎn)角誤差不超過0.7°，滿足工作需要.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕陶元芳，衛(wèi)良保.叉車構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

〔2〕李杰.電動(dòng)平衡重式叉車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].廣西大學(xué)，2013.

〔3〕郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.