可折叠式道路清障车的机构设计及优化.pdf

可折 叠式道路清 障车 的机构设计及优化 乐韵斐 施俊俊 王临春 同济大学机械工程学院 上海2 0 1 8 0 4 摘要 介绍一种新型的可折叠式道路清 障车 重点介绍了液压抱胎机构 液压折叠机构和液压举升 机构的机构设计 并结合 Ma t l a b优化工具箱对液压举升机构进行了机构的优化设计 为运动学和动力学分 析提供了必要的前提条件 关键词 液压系统 机构设计 机构优化 中图分类号 U4 1 8 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 O 1 5 5 4 x 2 O 1 0 0 3 0 0 7 3 0 3 M e c ha ni s m d e s i g n a n d o pt i ma l a na l y s i s o f r o a d f o l da b l e wr e c k e r L E Yu n f e i S HI J u n j u n WANG L i n e h u n 清障车是 一种功 能性专用 车辆 一般带 有起 重 托举 拖 曳 等装 备 用 于 清 除 道 路 障 碍 物 主要是违章或故障车辆 传统 的 清 障车 以卡 车 作 为 牵 引 装 置 的 载 体 图 1 在交 通拥 挤路 段不 能 够及 时发挥 救援 功 能 为了更好地 实现 道路救 援功 能 出现 了一 种 以微型车为牵引装置 载体 的可折叠式道路 清障车 其最大的优点 就是 良好 的通过性 可以迅速 到达 救援现场 图 1 传统道路清障车 1 可折叠式道路清障车总体结构 可折叠式 道路清 障车主要用 于清 理专用汽 车 公路和城市道路 上 的小 型故障及 违章 车辆 确保 道路交通畅通 该车具有位置举升 牵引等功能 近几年 国产轿 车行业 发展迅 速 家庭用 车越 来 越多 可折叠 式道路清 障车 的开 发具有 巨大 的经 济和社会效 益 此 种 清 障车具 有 良好 的通过 性 可以快速到达 现场 可有 效缓解城市交 通拥堵 的 状 况 如图 2所示 可折叠式道路清障车主要由 3部 分组成 举升 机构 抱胎 机构 折叠结 构 并 通 过液压系统来实现上述 机构 的运 动 所有 动作均 可实现 自动化操纵 由一人轻松 操作完成对 故障 车或违章车的牵引工作 整个操作过程预计在 2 3分钟 内完成 液压 系统工 作原理 见 图 3 由动力 泵 溢 流 阀 调速 阀 电磁换 向阀 平衡 阀 液 压缸等 组 成 液压动力泵 站为 各翻转模 块提供 动力 通 过 电磁换 向阀切换来实现 各个液压缸 动作顺序 举 升油缸 的同步是通过调 速 阀来实 现的 当举 升机 构突然停 止 时 通 过平 衡 阀可 以产生 一定 背 压 以平衡重力负载和实现缓冲 图 2 可折叠式道路清 障车总体 结构 收稿日期 2 0 0 9 1 0 1 0 通讯地址 乐韵斐 上海市杨浦区赤峰路 6 5号 4 0 1 室 建筑缸娥 2 0 1 0 0 3 上半月刊 7 4 1 动力泵2 卸荷溢流阀 3 调速 阀 4 电磁换 向阀5 平衡 阀 图 3 液压系统工作原 理图 2 可折叠式道路清障车结构设计及优化 2 1 液压抱胎机构设计 如图 4所示 液压抱胎机构采用一套曲柄摇块 机构 抱胎油缸作为 驱动原件 通过其 伸缩带动 曲柄 BC转动 同时油缸以铰点 A为中心摆动 当 油缸伸长时 曲柄 B C以铰点 C为 中心顺 时针转 动 实现夹 紧轮胎 的动作 当油缸缩短 时 曲柄 B C以铰点 C为中心逆时针转动 实现放松轮胎的 动作 其中曲柄 B C的转动角度范围为 0 9 0 铰点 a液压抱胎机构简图 b液压抱胎机构三维实体结构 图 4 液压 抱胎机构 2 2 液压折叠机构设计 如图 5 所示 液压折叠机构采用一套 曲柄滑块 机构 折叠油缸作为驱动原件 油缸活塞杆 作伸 缩运动带动曲柄 AB和A B 转动 当油缸伸长时 曲柄 AB和 A B 以铰点 A 和 A 为 中心顺 时针转 动 实现展开清障车车架 的动作 当油缸缩短 时 曲柄 AB和 A B 以铰点 A 和 A 为 中心逆 时针转 动 实现清障车车架折叠的动作 曲柄 AB和 A B 的转动角度范围为 0 9 0 a液压折叠机构简图 b液压折 叠机构三维 实体 结构 图 5 液压折 叠机构 2 3 液压举升机构设计及优化 2 3 1 液压举升机构设计 如图6所示 对违章或事故车辆的举升和下放动 作是由一套四连杆机构来实现的 举升油缸作为驱动 元件 通过其伸缩带动连杆机构的运动 当油缸伸长 时 角 B D C逐渐变大 引起杆 绕铰点 E和杆AB 绕铰点 A 的转动 实现铰点 D的上抬 举升车辆 当油缸缩短时 则实现事故车辆的下放动作 b液压举升机构三维实体结构 图6 液压举升机构 2 3 2 液压举升机构尺寸的优化设计 1 相关设计参数的确定 油缸及机构的重量 忽略不计 负载的重量为 2 t 上抬高度 2 0 0 3 0 0 mm 建筑 机械 2 0 1 0 0 3 上半月刊 2 个起升机构之间的距离为 2 0 0 0 m m 举升油缸缩 回 时的长度为 4 0 0 m m 伸出时长度为 6 6 0 mm 2 液压举升机构初始状态力与力矩分析 图 7 液压举 升机构的初始 状态受力分析 液压举升机构的初始状态如图 7 所示 假设初 始角度 B AD O o 角 AB D 举升结束 时角 DAE 0 杆 AD z 杆 B D z 杆 C D z 3 杆 DE z l 和 的夹角为 a 以铰点 D作为分析 的原点矩 主动力矩 一 1 6 00 0 0 CO SO I 些 i 二I 2 1 32 1 6 0 0 0 0 4 00 4 0 0 华 D z d 2 A 主 F油 F2 Z 负载力矩 M m F1 Z 1 3 基于 Ma t l a b的杆长优化设计分析 选取设计变量 杆 AB l 杆 B D z 杆 C D z 3 杆 DE z 杆长作为设计的变量 进行优化设计 约束条件 线性约束 5 o 0 4 1 1 4 6 0 0 5 0 0 4 1 2 4 5 5 0 1 5 0 4 1 3 4 2 5 0 1 5 0 0 4 1 4 4 1 7 0 0 7 0 0一l 2 1 3 4 1 4o 2 一Z 3 4 0 0 1 4o 非线性约束 起升高度的非线性约束 2 5 0 4 z z 一2 z 1 z 2 c o s O c o s O 1 一O o 3 0 0 Z 1 c o s Z 2 c o s 1 8 0 一 一 4 3 5 0 0 4 0 2 6 0 0 一Z 1 C O S 1 一Z 2 c o s 1 8 0 一 一 一1 4 4 o 目标 函数 F1 1 一F油h F2 1 4 要求初始状态和终止状态时 主动力矩和负载力 矩的差值最小 即意味着结构能承受更大的力矩 设计方 案涉及两 项设计指标 期望两 个 目标 同时达到最优值 如何在满 足承载 能力 的同时材 料损耗相对较少 成为解决问题的关键 求解多 目标 优化 问题 的基本思想 是将各个分 目标函数构造成一个评价函数 厂 z f z z z 从而将多 目标优化 问题 转化为求解评 价 函数 的单 目标优化问题来处理 构造评 价 函数 的方法主要有协 调 曲线 法 线 性加 权法 规格 化加权 法 功效 系数法 乘除法 和主要 目标法 通过对 比和 比较 最 终采用 协 调 曲线 法 协 调曲线法的基 本原理首先是求 出多 目标 优化设计 问题 的若干非劣解 然后再从 这些非 劣解 中根据 某项预定 的原则选出好解 实际上协调 曲线亦可以是求 mi n f x f l z W 厂 2 z s g z 4O 1 2 当加权因子 w 从零 到无穷大时得到最优点 的 集合 通过 Ma t l a b的初步优化 得 出杆长为 Z 1 6 00 1 2 5 00 Z 3 2 2 0 4 1 5 0 0 3 结束语 本文介绍 了可折叠式道 路清障车 的总体结构 和液压系统原理 重点分析 了可折叠式 道路清障 车 3个主要 液压驱动机构 的设计 并利用 Ma t l