自卸车举升机构的优化设计

2010.3. HEAVY TRUCK 重型汽车 15文 / 王臣涛 （合肥工业大学）引 言自卸运输车的举升机构对其生产效率及性能有很大的影响。因此，合理选择举升机构的结构参数，将极大提高自卸车的工作能力。作为组合式举升机构的一种，前推连杆放大式（也称“ T”式或马勒里式）举升机构具有横向刚度好、举升转动圆滑平顺、举升力系数小等优点，特别适用于大吨位自卸汽车，被公认为是一种较好的举升机构。本文以最大举升力系数和油压波动系数为优化目标函数，对某新开发自卸车“ T”式举升机构进行了优化分析，获得了较好的举升力系数曲线及油压特性曲线，对该车型的开发设计起了一定的指导作用。1 动力学模型的建立及仿真1.1 模型建立模型中一些结构简单的构件直接在 ADAMS中建立，对于结构复杂的构件通过 UG建立，然后再导入到 ADAMS中，活塞缸与活塞之间通过移动副连接并加一驱动函数来模拟液压油对活塞的推力作用，建立的动力学模型的约束拓扑结构如图 1。1.2 仿真分析在仿真过程中，最大举升角度为 50，货物为整体结构，且不考虑货物的安息角，仿真结束后得到该车型以及自卸车举升机构的优化设计标杆样车的举升力系数、油缸压力随货箱翻转角的变化曲线如图 2、图 3 。重型汽车 HEAVY TRUCK 2010.3.16图 3 油缸油压随货箱翻转角的变化曲线工程实际中要求油压特性符合以下条件：(1) 最大油压值不在初始时出现，而在举升角为 5 max时达到；(2) 举升过程中的最大油压值 Pmax不高于初始油压值 P0的 8%；(3) 最大油压值在允许值范围内尽可能小；(4) 油压波动较小。从仿真结果可以看出：(1) 该车型举升机构油压最大值出现在翻转角 5 8，符合理想的油压特性基本要求；(2) 标杆样车在整个的自卸过程中所需的举升力较小，举升性能相对于该车型较好，但是其举升力最大值出现在初始位置，不符合理想的油压特性曲线；(3) 该车型举升机构在整个的自卸过程中所需的举升力偏大，油缸油压的变化也较大，对油缸使用不利，需要对举升机构进行进一步的优化。2 模型参数化2.1 目标函数的建立一般来说在自卸机构设计中，需要同时考虑所需油缸推力的大小和油缸压力的波动。理论上来说，如果只是单纯的以一个性能参数为目标函数，无法得到既满足油缸推力最小又使得油缸压力波动最小的优化结果，为此，我们提出了一种通过加权系数综合考虑举升力系数以及油缸压力波动系数的优化方案。(1) 以式（ 1）为目标函数，通过改变举升机构中各个关键铰点坐标，得出几组优化结果； minF(x) wf KF wp KP （ 1）式中 wf+wp=1（ 0 wf 1， 0 wp 1）； 本文中取 w f =0 . 7， w p =0 . 3。 wf举升力系数加权系数； wp油压波动系数加权系数； KF举升力系数 =油缸实际作用力举升重量； KP油压波动系数（最大油压平均油压）平均油压。(2) 考虑整车总布置的限制进行筛选，最终确定一组优化结果。2.2 设计变量及约束条件本文选取 A 、 B、 C 、 D 、 E 、 O 6 个点的 x , z 坐标（即各安装点在整车上的前后和上下位置）对模型进行参数化（见图 4），并且根据整车总布置的要求 , 确定各个设计变量的变化范围，具体如表 1。图 4 关键点位置示意图另外，由于整车总布置以及设计要求的限制，还需如下约束。(1) 举升角 max 50.0度；(2) 铰点 C在举升过程中距货箱地板的距离 d m i n70.0mm；(3) 机构空间尺寸：举升机构长度 Lmax 1530.0mm，高度 Hmax 340.0mm；货厢后铰支点至其后挡板内壁最小距离： Lomin变量DV_1DV_2DV_3DV_4DV_5DV_6DV_7DV_8DV_9DV_10DV_11DV_12设计点位置XAZAXBZBXCZCXDZDXEZEXOZO初始值 (mm)2495.51703403.8- 1 0 8 . 33307.4115.719001452130- 5 000变化范围 (mm)2400.0, 2600.0160.0, 210.03300.0, 3500.0- 15 0 .0 , - 5 0. 03200.0, 3400.0 50.0, 150.01800.0, 2000.0120.0, 170.02000.0, 2250.0- 7 0 . 0 , - 4 0 . 0 -50.0 , 50.0 -50.0 , 50.0表 1 设计变量取值范围Qichesheji2010.3. HEAVY TRUCK 重型汽车 17350.0mm。3 优化分析首先对设计变量进行设计研究，研究各个设计变量对目标函数的敏感度，结果如图 5。从图中我们可以明显看出， D V _ 4 、 D V _ 6、 D V _ 8、 D V _ 1 0即铰点 B、 C、 D、E的 z坐标对目标函数的敏感度较大，因此，选取这四个设计变量对目标函数进行优化分析，优化前后设 计变量对应点 的坐标值如表 2，主要性能参数的对比如表 3，优化后举升机构的举升力系数曲线以及油压特性曲线分别如图 6、图 7。表 2 优化前后设计变量取值 (mm)表 3 优化前后主要性能参数对比表图 5 设计变量对目标函数的敏感度由优化结果可以看出：(1) 优化后，举升力系数与油缸油压特性曲线整个的向下偏移了一段，所需油缸推力最大值、举升力系数最大值以及油缸压力最大值都减小了 9 . 6 %，举升性能得到大优化前优化后DV_4- 1 0 8 . 3- 1 5 0DV_6115.796.0DV_8145155DV_10- 5 0- 7 0大改 善。(2) 优化后，初始位置举升力系数为 1 .7 59，比优化前降低了 1 2 .8 %，油压波动系数为 0 . 23 6，比优化前降低了 13.2%，显然，优化后的举升机构所需油压在初始位置较低，随着翻转角的增大逐步增加，在翻转角约为 7度的时候达到最大，油压最大值高于初始值 3.9% 8%，并且在整个自卸过程中，油压特性曲线变化平缓，油压波动系数较小，符合油压特性曲线的要求。(3) 优化后，初始位置举升力系数、最大举升力系数以及油压波动系数都优于标杆样车，即使是举升过程的后半段也已达到标杆样车的水平。从以上的结果综合看来，该优化方案满足设计要求，且比原方案和样车方案举升性能都得到很大的提高。参考文献略。所需油缸推力最大值 (N)油缸压力最大值 ( M p a )举升力系数最大值初始位置举升力系数油压