某BD系列軌道平臺搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沉重分析及改進(jìn)

邱光志 唐嵐

摘 要：根據(jù)某BD系列軌道平臺搬運(yùn)車的實(shí)際使用情況，發(fā)現(xiàn)該車在滿足小轉(zhuǎn)彎半徑的情況下出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重問題。通過理論分析出轉(zhuǎn)向沉重的原因，對轉(zhuǎn)向搖臂、直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂的尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，建立了該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的AMESim模型，分析了改進(jìn)后的效果，轉(zhuǎn)向盤力阻力矩減小。經(jīng)試車驗(yàn)證，轉(zhuǎn)向盤阻力矩比模型中得出的阻力矩小，轉(zhuǎn)向操縱輕便，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：軌道平臺搬運(yùn)車 轉(zhuǎn)向沉重 AMESim模型 轉(zhuǎn)向盤阻力矩

Abstract：According to the actual use of a BD series rail platform truck， it is found that the heavy steering problem occurs when the truck meets the small turning radius. Through the theoretical analysis of the reason of heavy steering， the dimensions of the steering rocker arm， straight tie rod and steering knuckle-arm are improved， the AMESim model of the steering system is established， and the improved effect is analyzed. The test results show that the steering wheel resistance moment is smaller than the resistance moment in the model， and the steering is easy to operate.

Key words：Rail platform truck; Turn to heavy; AMESim Modeling; Torque of steering wheel

1 前言

BD系列平臺搬運(yùn)車主要用于工廠車間、車站、碼頭等地，小巧靈活，操作方便，適用于短距離的貨物運(yùn)輸[1]。主要有車體、前后橋、蓄電池組、轉(zhuǎn)向器、懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成[2]。使用蓄電池作為動力源，直流電動機(jī)驅(qū)動，運(yùn)行噪音低、無任何污染，是在狹小空間載貨服務(wù)的理想搬運(yùn)車[3]。目前市面上此類車輛常采用齒輪齒條式和循環(huán)球式兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應(yīng)用較為廣泛的是齒輪齒條式，但在某些特殊場地，裝載重型貨物的車輛上則使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使用該種結(jié)構(gòu)，車輛的載重質(zhì)量增大，結(jié)構(gòu)布置簡單，同時也存在相應(yīng)的問題，使用該種結(jié)構(gòu)，如果傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，結(jié)構(gòu)布置不合適，則會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重，操作不靈敏等相應(yīng)問題[4]。

某BD系列軌道平臺搬運(yùn)車采用轉(zhuǎn)向柱助力型的循環(huán)球式EPS系統(tǒng)，在使用過程中存在轉(zhuǎn)向沉重，駕駛舒適性差，駕駛員偶爾出現(xiàn)過分緊張等問題[5]。根據(jù)循環(huán)球式EPS系統(tǒng)的傳動方式，分析其轉(zhuǎn)向沉重的原因并對其進(jìn)行改進(jìn)，建立AMEsim模型驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果[6]。在不改變車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑的情況下，經(jīng)試車驗(yàn)證，轉(zhuǎn)向操縱輕便，滿足轉(zhuǎn)向助力使用要求[7]。

2 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

BD系列軌道平臺搬運(yùn)車的EPS系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、電控單元、助力電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、十字軸萬向節(jié)、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向輪等[8]。

2.2 系統(tǒng)工作原理

在駕駛員操縱方向盤時，扭矩傳感器根據(jù)輸入力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號，由此EPS系統(tǒng)就可以檢測出轉(zhuǎn)向力的大小，同時根據(jù)車速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號又可測出車速，再通過控制器控制助力電機(jī)的電流，為汽車在不同的車速下提供適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向助力效果，使汽車低速時轉(zhuǎn)向輕便靈活，高速時穩(wěn)定可靠[9]。

3 傳動機(jī)構(gòu)分析

BD系列軌道平臺搬運(yùn)車屬于非標(biāo)車，目前市面上的此類車型大多都是購買相應(yīng)的零部件裝配而成，甚至有些零部件屬于廠家純手工制作，設(shè)計(jì)可能不合理，無法滿足正常使用要求。經(jīng)詢問得知，為滿足車輛轉(zhuǎn)彎半徑足夠小的使用要求，該車輛的轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂是由制造商憑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制作的，沒有足夠的理論指導(dǎo)。在實(shí)際使用中，車速V=0km/h時，轉(zhuǎn)向沉重，幾乎不能滿足使用要求。為此，對轉(zhuǎn)向器至轉(zhuǎn)向輪之間的傳動機(jī)構(gòu)力傳遞進(jìn)行分析[10]。

車輛的轉(zhuǎn)向阻力矩主要包括主動阻力局和被動阻力矩兩部分，在實(shí)際當(dāng)中，轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算十分繁瑣和復(fù)雜，常采用具有足夠精度的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：f為輪胎與地面的摩擦系數(shù)，一般取0.7；G1為前軸負(fù)荷（N）；p為輪胎壓力（N/mm2）[11]。

通常前軸負(fù)荷按車輛滿載時總質(zhì)量的35%計(jì)算，實(shí)測車輛相關(guān)參數(shù)：G1=525N，p=0.3 N/mm2。按公式（1）計(jì)算出該車輛的轉(zhuǎn)向阻力矩為Tr=1620.5N·m。該車輛的轉(zhuǎn)向力通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向搖臂傳遞，可按如下公式計(jì)算出在轉(zhuǎn)向器輸出端的阻力矩Tz，計(jì)算公式為：

式中：L1為轉(zhuǎn)向搖臂長度（mm）；L2為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度（mm）。

經(jīng)實(shí)際測量，L1=230mm，L2=120mm，根據(jù)公式（2）計(jì)算出轉(zhuǎn)向器輸出端阻力矩Tz=3105N·m。作用在方向盤上的手力可以參考：GB 7258-2017《機(jī)動車安全技術(shù)運(yùn)行條件》，作用在方向盤上的手力應(yīng)該小于400N[1]。

計(jì)算結(jié)果TZ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該值，在駕駛過程中轉(zhuǎn)向沉重，舒適性和安全性低。由于路面對車輪的阻力矩TR可以近似為恒定值，因此根據(jù)公式（2），減小TZ的值，即減小作用在方向盤上的手力，應(yīng)該增加轉(zhuǎn)向節(jié)臂L2的長度，減小轉(zhuǎn)向搖臂L1的長度[12]。在滿足該車最小轉(zhuǎn)彎半徑不變的情況下，設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度L1=170mm，轉(zhuǎn)向搖臂長度L2=180mm，轉(zhuǎn)向直拉桿長度L3=720mm，如圖３所示。按照公式（2）算得TZ=1530.5N，滿足使用要求。

4 系統(tǒng)建模

轉(zhuǎn)向操縱的輕便性常由駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)決定[13]。導(dǎo)致搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向沉重的因素有很多，在分析時應(yīng)該首先確定問題所出現(xiàn)在的部位，針對該部位進(jìn)一步判明在哪個部件。AMESim是個多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，用戶可以在這個單一平臺上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析[14]。在EPS系統(tǒng)中存在許多的非線性摩擦和阻尼，使用AMEsim軟件可以大大簡化系統(tǒng)的模型的建立[15]。建模仿真包含四個步驟：

AMEsim使用圖形化建模方式，不需要使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)，仿真效率高，使用方便。相關(guān)參數(shù)設(shè)置參照表1，控制策略采用傳統(tǒng)的電流PI控制，在軟件的信號控制庫中，可以直接使用相應(yīng)的物理模塊。助力電機(jī)直接使用電子元件庫中的直流無刷電動機(jī)。在仿真中，設(shè)置仿真時間為10s，曲線打印時間間隔為0.01s。

5 仿真結(jié)果分析

在模型中，設(shè)置轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入范圍為0-150°，如圖5所示，轉(zhuǎn)向搖臂軸的轉(zhuǎn)角范圍為0-20°，如圖6所示，作用在方向盤上的扭矩最大值為374.97N·m，如圖7所示，小于改進(jìn)前的扭矩Tz，轉(zhuǎn)向力矩小，轉(zhuǎn)向輕便，滿足實(shí)際使用要求。

6 實(shí)車驗(yàn)證

使用轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀，在車速V=0km/h的狀態(tài)下，測得轉(zhuǎn)矩最大值TZ=270N·m，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ=200°。此時，轉(zhuǎn)向輕便，操縱靈敏，實(shí)際測量值比仿真測試值小。

7 結(jié)語

（1）簡述了目前市面上此類小轉(zhuǎn)彎半徑固定平臺搬運(yùn)車的現(xiàn)狀以及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了目前在生產(chǎn)過程中還存在的缺陷問題。

（2）非標(biāo)車輛生產(chǎn)的量小，本身就是帶缺陷的產(chǎn)品，改進(jìn)的機(jī)會比較少，在生產(chǎn)和制造的過程中往往都是憑經(jīng)驗(yàn)或者抄襲。分析并改進(jìn)了某BD系列平臺搬運(yùn)車轉(zhuǎn)向沉重的問題，為此類非標(biāo)車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)。

（3）建立了AMEsim模型，將改進(jìn)后的作用在方向盤上的阻力矩進(jìn)行計(jì)算分析，改進(jìn)結(jié)果好，同時經(jīng)過試車驗(yàn)證了模型的正確性，實(shí)際測得轉(zhuǎn)向盤阻力矩更小，為后續(xù)此類車輛的研制提供理論依據(jù)。

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