横置液压缸式转向机构优化设计.pdf

横置液压缸式转向机构优化设计 张德进 ， 李道亮 安徽合力股份有限公司 i j | l i i i i i i i ． I ．I 摘要 研究了横置液压缸式转向机构的传动特性， 根据实际应用需要 ， 提出理想转 向性能的要求， 确定了目标函数和约束条件， 利用机械多体动力学分析软件 A D A M S ， 建 立车辆转向机构的多体动力学仿真模型， 进行了优化计算， 并对优化结果进行了评价。 } s ； | j i ； j i j i j i j i i j i j i i j ； ； ； ； ； ； ； ； i j j i i i j i i i l l j i i j i j i ； 关键词 转向机构 ； 优化设计； AD A MS 横置液压缸式转 向机构 由于具有形式简单 、 结 构紧凑 、 布置方便和偏转角大等优点 ， 而广泛应用在 叉 车与 牵 引车类 工 程机 械 中 ，图 1为 安徽 合力 C P C D 4 6 0型叉车横置液压缸式转 向机构。该转 向机 构的运动执行部件主要 由桥体 1 、 节臂 2 、 连杆 3和 转向液压缸 4等组成 ，他们之 间形成了一个梯形结 构 ，通过转 向液压缸 4的左右运动来推动转向梯形 机构的梯形使之运动 ， 构在小转 向角 的情况下能够获得 比较 理想的转 向 角 ， 其优点 比较明显 ， 但在实际应用过程 中也存在一 些不足之处 ， 主要体现在 活塞杆承受径 向力 、 调整 能力差等，这就要求在梯形结构设计中应充分考虑 减小活塞杆径向力及其对液压缸工作的影响。 因此 ， 深入研究梯形机构的传动特性 ，根据实际需要提出 理想转 向性能的要求及其优化方法 ，这对设计和研 一 q『l T 卜 一 1 T 【[ ，一 啦 1 ． 桥体2 ． 节臂3 ． 连杆4 ． 转向液压缸 图 1 C P C D4 6 0型叉车横置液压缸转向机构 1 转向机构的数学模型 根据给定条件 ，正确设 计转 向机构 的几何参 数， 可以使车辆转弯行驶时， 全部车轮绕瞬时转向 中心旋转 ， 使在不同圆周上运动的车轮作无滑动的 纯滚动， 以减少轮胎磨损和动力消耗。 1 ． 1 转向机构简图 如图 2所示 ， 在横置液压缸式转 向机构 中， 液压 缸 E的活塞杆可沿水平方 向左右直线移动。活塞杆 两端用销轴与两根连杆 A D、 B C相连 ， 两连杆又通过 销轴与左右车轮上的节臂 A 0 。 、 B O相连。 1 ． 2 设计变量 图 2 转向机构简 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ≯ 对于给定的车辆， 其轴距 、 主销中心距K为已 知量【l】。故在设计转向机构时， 需要确定的参数为梯 形底角 、 节臂长 Z 。 、 连杆长 Z 和液压缸 的偏心距 h 参见图2 。而液压缸活塞杆的长度 则可由转向 机构的上述参数以及已知的参数K来确定。 其关系式为 r 一 肚 一 2 X 、 ／ z 一 z l X s in h f lc o s 1 1 ． 3目标函数 根据 阿克曼理论 的内外轮转角关 系[2 1 ， 理想的 内外轮转角关系为 a r c c o t c o t 一 2 L 式中 IB 广一 理想的内轮转角 ； 外轮转角。 而 由转 向机构所提供的内 、 外轮实际转角关系 可以根据几何关系来求解。当横置液压缸的活塞杆 左右移动时， 两边的杆系产生不同的运动 ， 从而使 左右车轮分别获得各 自的转角。以左转弯为例 ， 此 时右轮为外轮 ，外轮一侧的杆系运动如 图 3所示。 设液压缸活塞杆向右移动某一行程 ．s ，通过右连杆 Z 推动右轮转过 0 f 角。 则可导 出行程 S与外轮转角 的关系 B 图3 外转向轮杆系运动简图 5 _ f 1 c 0 s y 一 2 2 3 而内转向轮处 的杆系运动则如 图 4所示 ， 液压 0 缸活塞杆右移 了相同的行程 5 ，通过左连杆拉动左 轮转过 角。 同样可求出行程 ．s 与内轮转角 的关系， 即 图 4 内转向轮杆系运动简图 fl y - a r c t a n 一 2 K- M 2 2 2 由式 1 、 3 、 4 结合起来便 可将 内轮转角 表示为外轮转角 的函数 ， 记作 fl F a 。 转向机构优化设计 的目标就是要在规定的转角 范围内使实际的内 或外 轮转角卢尽量地接近理想 一 2 ～ 的内 或外 轮转角 。 为了综合评价在全部转角范围 内两者接近的精确程度， 并考虑到在最常用的中、 小 转角时希望两者尽量接近， 采用目标函数 m in I 学 I 5 I p l I 1 ． 4约束条件 1 液压缸结构条件 4 x S 2 x d t 2 x c - M 0 式中 J s 液压缸行程 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 卜缸盖厚度 ； t 活塞厚度 ； c 活塞杆销轴 中心距离缸筒外端面的 长度 。 2 机构传动角 0 转向节臂与连杆所夹锐角 足够大 ， 即 ≥3 0 。 。 3 安装距离 h可取值范围为 l l- f 一 f Ic 1 s i n 1 0 。 h l ls i n y ～ f 。 1 i n 1 0 。 2优化结果分析 A D A MS不仅是 虚拟样机分析 的应 用软件 ， 还 是虚拟样机分析开发工具 ， 可 以帮助设计人员在设 计早期阶段，通过虚拟样机真实地预测机械结构 的 工作性能， 实现系统的最优设计。 本课题采用 A D A MS 提供的广义约减梯度计算 方法对横 置液压缸式转 向机构进行优化设计 。以合力 4 6 t 叉车为例 ， 优化 结果如表 1 所示 。 表 1 合力4 6 t 叉车优化结果 设计变量 下限 上限 初始值 优化方案 l l ／ mm 2 60 3l 0 29 0 3 00． 1 45 1 2 ／ mm 3 00 3 9 0 3 45 3 53． 8 9 0 h ／ mm 1 8 0 2 5 0 2 0 O 2 O 5 ． 1 1 0 y ／ 。 8 5 1 0 5 9 5 9 5 ．8 9 0 优化结果输出性能曲线 1 以时间为横坐标，分别将外转向轮理论转 角与实际测量 的转角为纵坐标 ， 考察理论转角与实 际转角的重合度 ， 结果见图 5 ， 其 中实线为理论转角 曲线 ， 虚线为实际转角曲线 。 6 0．0 5 0 ． O 4 0．0 3 0．O 2 0．O 1 0．0 0 0．0 一 l 0．O 外轮转角／ 。 图 5 外轮理论偏转角与实际偏转角 曲线 2 以时间为横坐标 ，外转 向轮理论转角与实 际测量 的转角差值为纵坐标 ， 考察外转向轮在运动 全过程 中的转角误差 ， 结果见 图 6 ， 相对误差角最大 值为 0 ． 8 2 5 8 。， 其结果满足最大误差角小于极限值 l 。的要求 ， 并且杆件尺寸均在合理尺寸范围内， 没 有出现特别大或特别小的杆长 。最小传动角大于极 限值 3 0 。的要求 ， 活塞杆行程也符合液压缸结构约 束条件，说明所得优化结果是正确的。 ／ 、 ＼ ＼ 图 6 外轮转角误差变化 曲线 3 结束语 传统的横置液压缸式梯形转 向机构设计 方法 通常采用作图法来确定转 向梯形中各杆件尺寸 ， 效 率低 ， 精度差 ， 工作强度大。因此 ， 深入研究梯形机 构的传动特性 ， 根据实际应用需要提出理想转向性 能的要求及其优化方法 ， 这对设计和研究这种转 向 机构具有现实意义。由于叉车和牵引车类产品的转 向机构优化模型的结构形式、 目标函数以及约束条 件都是通用的 ， 因此本文提 出的优化设计方法可作 为转 向梯形优化设计模块 ， 为系列化设计提供了设 计平 台， 提高了工作效率和设计精确度。 参考 文献 [ 1 ]1张敏中与 齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构的优 化设计[ J ] ．汽车技术， 1 9 9 4 6 1 1 ． 【 2 ]西南交通大学机械系起重运输机械教研室． 叉车【 M] ． 北 京 人民铁道 出版社 ， 1 9 7 9 1 6 7 ． [ 3 ]3 肖永清， 杨忠敏． 汽车前桥及转向系统结构与维修[ M】 ． 北 京 国防工业 出版社， 2 0 0 4 1 5 ． [ 4 ]褚树德． 叉车液压曲柄滑块式转向梯形机构【 J ] ． 起重运输 机械 ， 1 9 8 5 5 1 1 - 1 5 ． [ 5 】刘惟信． 机械最优化设计 第 2 版 【 M E 京 清华大学出 版社 ， 1 9 9 4 ． [ 6 ] 孙靖民． 机械优化设计 第 3 版 【 M】 ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 7 】张志强， 梁哲． 汽车转向连杆机构的优化设计【 J 】 ． 机械工 业学院学报， 2 0 0 0 ， 1 5 3 4 4 ． 通信地 址合肥市经济技术开发 区百丈路 8号安徽合力股 份有限公司 2 3 0 6 0 1 收稿 日期 2 0 1 0 一 O 1 2 O 一 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m