高空車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 丹 鄧安田 陸進(jìn)添

(三一帕爾菲格特種車(chē)輛裝備有限公司研究院，江蘇226000)

剪叉車(chē)高空作業(yè)平臺(tái)是一種能夠在高空作業(yè)的工程車(chē)輛機(jī)械，具有移動(dòng)靈活、升降快速和安全可靠等特點(diǎn)，在建筑等施工領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是高空作業(yè)車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要執(zhí)行組件，為適應(yīng)高空車(chē)在狹小的空間移動(dòng)等工況，需要轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠使作業(yè)車(chē)有較小的轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)盡可能減輕或避免磨胎。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑的選取以及對(duì)轉(zhuǎn)彎偏差的優(yōu)化，有利于增強(qiáng)高空車(chē)的轉(zhuǎn)向性能、改善輪胎磨損、減小轉(zhuǎn)向力和增強(qiáng)操作穩(wěn)定性。

1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

剪叉車(chē)高空車(chē)通常采用的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖1所示，其實(shí)質(zhì)上是共用同一個(gè)滑塊的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的轉(zhuǎn)向性能，能夠適應(yīng)高空作業(yè)車(chē)的轉(zhuǎn)向要求。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向油缸的進(jìn)出油口進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，活塞桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向連桿，轉(zhuǎn)向連桿作用于連桿軸，使轉(zhuǎn)向輪克服地面的摩擦阻力矩，連同轉(zhuǎn)向支架一起繞轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向目的。

2 轉(zhuǎn)彎分析

2.1 實(shí)際轉(zhuǎn)向與理想轉(zhuǎn)向?qū)Ρ?/h3>

對(duì)于前輪為轉(zhuǎn)向輪的車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)，車(chē)輪最理想的偏角關(guān)系如圖2(a)所示，四個(gè)車(chē)輪均能純滾動(dòng)，車(chē)輪的內(nèi)外偏角應(yīng)滿(mǎn)足Ackerman轉(zhuǎn)向原理：BL=cotω-cotω′。而實(shí)際的轉(zhuǎn)彎如圖2(b)所示。

1—轉(zhuǎn)向軸 2—轉(zhuǎn)向連桿 3—轉(zhuǎn)向油缸 4—活塞桿 5—連桿軸 6—液壓馬達(dá) 7—轉(zhuǎn)向支架 8—車(chē)輪

(a)理想的轉(zhuǎn)彎(b)實(shí)際的轉(zhuǎn)彎

圖2 轉(zhuǎn)向原理

Figure 2 Steering principle

根據(jù)Ackerman轉(zhuǎn)向原理，可由一側(cè)的偏角確定另一側(cè)的理論偏角。在實(shí)際的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，采用單缸雙搖桿滑塊式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，較梯形四桿式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角符合率有顯著提高，但與四輪均做純滾動(dòng)的理論轉(zhuǎn)角仍有一定的差距，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪的圓心不在同一點(diǎn)，因此，需要通過(guò)優(yōu)化尺寸盡可能減小這種差異。根據(jù)車(chē)輪位置分析，得到實(shí)際的兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系，以一側(cè)的車(chē)輪偏角為變量，可確定另一側(cè)的車(chē)輪偏角，由此確定兩轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際偏角關(guān)系。將實(shí)際偏角與理想偏角進(jìn)行對(duì)比，可以分析轉(zhuǎn)向性能、實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差異隨其中一側(cè)轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，如圖3所示。在工作時(shí)，作業(yè)車(chē)的轉(zhuǎn)向以做較小角度或大角度轉(zhuǎn)彎為主，此時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角差異不超過(guò)2°，最大差異發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪向內(nèi)偏65°左右的位置，且最大差異不超過(guò)5°，能夠較好地提升轉(zhuǎn)向性能，改善轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎的磨損現(xiàn)象。

2.2 轉(zhuǎn)彎半徑的確定

轉(zhuǎn)彎半徑存在幾種情況，如圖4所示，具有A、B、C以及在AB之間共四種情況。A轉(zhuǎn)彎半徑最小；B旋轉(zhuǎn)中心在后輪上，其他3個(gè)車(chē)輪均做純滾動(dòng)，但旋轉(zhuǎn)中心所在輪卻做滑動(dòng)，輪胎磨損現(xiàn)象較重，要防止此現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)使車(chē)輪的最大外偏角度不超過(guò)90°；C是一般情況，為了有效地避免輪胎磨損以及擁有較小的轉(zhuǎn)彎半徑，可以通過(guò)對(duì)液壓缸桿的行程等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)控制，使旋轉(zhuǎn)中心能夠與后輪保持一定距離。以獲得較小轉(zhuǎn)彎半徑的同時(shí)避免輪胎磨損為基本原則，確定作業(yè)車(chē)的最小轉(zhuǎn)彎半徑。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)最大外偏角為80°時(shí)沒(méi)有明顯的輪胎磨損現(xiàn)象，此時(shí)對(duì)應(yīng)的另一側(cè)轉(zhuǎn)角為ω，則最小轉(zhuǎn)彎半徑R=Lsinω。

3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 仿真驗(yàn)證

利用ADAMS進(jìn)行剛體部件的虛擬樣機(jī)分析，在ADAMS中建立簡(jiǎn)化模型，對(duì)所創(chuàng)建的部件賦予實(shí)際部件的質(zhì)量質(zhì)心等屬性，即可達(dá)到與實(shí)際模型同樣的分析效果。由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究所關(guān)心的是油缸的受力以及各鉸點(diǎn)的受力，所以?xún)H考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在工作平面內(nèi)的受力情況。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需要提供的驅(qū)動(dòng)力如圖5所示，在轉(zhuǎn)向極限位置驅(qū)動(dòng)力最大，要使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正常工作至少需要超過(guò)最大需要的油缸力。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角度與理想偏轉(zhuǎn)角度的差異如圖6所示，可以得到兩側(cè)車(chē)輪的偏轉(zhuǎn)曲線(xiàn)，將此曲線(xiàn)與滿(mǎn)足Ackerman轉(zhuǎn)向原理的理想車(chē)輪偏轉(zhuǎn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比即可得到轉(zhuǎn)向性能。通過(guò)ADAMS仿真得到的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況與解析法計(jì)算一致。

圖3 實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角差異

圖4 幾種轉(zhuǎn)彎情況

Figure 4 Turning situations

圖5 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需要提供的驅(qū)動(dòng)力

Figure 5 Drive force providing for steering mechanism motion

圖6 實(shí)際偏轉(zhuǎn)角與理想偏轉(zhuǎn)角的差異

Figure 6 Difference between actual deflection angle and ideal deflection angle

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的受力或轉(zhuǎn)角優(yōu)化，是在可行的范圍內(nèi)通過(guò)改變連接點(diǎn)在平衡時(shí)的位置(長(zhǎng)度和位置尺寸)的反復(fù)組合，從中找出目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的空間工作幾何關(guān)系確定連接點(diǎn)的可行域，在ADAMS中建立參考點(diǎn)，在可行域內(nèi)將其坐標(biāo)設(shè)為實(shí)數(shù)變量，并與對(duì)應(yīng)構(gòu)件關(guān)聯(lián)，使最大油缸力最小，以實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角的差異最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)入設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)工具，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化轉(zhuǎn)向角的目標(biāo)函數(shù)為：

油缸力和實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角的偏差的優(yōu)化結(jié)果分別如圖7、圖8所示。大角度轉(zhuǎn)向時(shí)，最大油缸力和實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角的差異均有明顯改善。

圖7 優(yōu)化前后油缸力對(duì)比

圖8 優(yōu)化前后實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角差異對(duì)比

4 結(jié)論

(1)根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑的分析，確定了最小轉(zhuǎn)彎半徑、設(shè)計(jì)了車(chē)輪轉(zhuǎn)向偏角的原則為轉(zhuǎn)向輪的最大外偏轉(zhuǎn)角為80°；

(2)利用ADAMS虛擬樣機(jī)仿真的方法對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和受力性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果與解析法計(jì)算一致，使用此法能夠提高設(shè)計(jì)效率；

(3)使用優(yōu)化工具以實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角的差異最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明：通過(guò)優(yōu)化可以降低實(shí)際車(chē)輪偏角與理想偏角的差異，并且降低了轉(zhuǎn)向油缸力。