九桥全地面起重机转向执行装置优化设计.doc

九桥全地面起重机转向执行装置优化设计(太原科技大学,山西省 太原市 030024) 摘 要：为改善九桥全地面起重机转向时的稳定性，基于转向系统的运动规律与转向特性，设计九桥全地面起重机的转向执行装置，依据阿克曼转向理论公式，利用数值软件计算出各桥在转向时对应的转角关系，并绘出转向时各桥偏转关系图，设计出能够满足执行转向功能的机构，并提出对该机构中梯形转向装置的优化办法。结果表明：设计的转向联动装置，在理论上完全能够使车辆在转弯时做纯滚动运动，并且对梯形转向机构提出优化方法，给出优化参数，使梯形转向机构偏转角更符合理论偏转角，从而减少轮胎的磨损和提高九桥全地面起重机的通行能力。关键词：全地面起重机；九桥转向；执行装置；机构优化中图分类号：TP273.31 文献标识码A The optimization design of the nine-axle all-terrain-cranes steering perform equipment Abstract : To improve the stability of the nine-axle all-terrain-crane when it steers, we design the nine-axle all-terrain-cranes steering perform equipment according to the motion rules of steering system and steering characteristics of its steering system. And based on the Ackermann steering geometry formula, we use the Mathematica to figure out the relevant steering angle relationship of each axle steering, and draw the picture of each axles deflection relationship when it steers, on the basis of which we design a device to satisfy the function of execution steering and put forward the optimization of trapezoidal steering device in the structure. The results show that the designed steering device in theory can totally make the vehicle to perform the pure rolling motion when they turn and put forward optimization methods to the trapezoidal steering device. Optimization parameters given make the steering angle of trapezoidal steering structure more consistent with the theoretical deflection Angle, which could reduce the tire wear and improve the traffic capacity of the nine-axle all-terrain-crane. Key words:all-terrain-crane; nine-axle terrain; executive device; mechanism optimization基金项目 山西省特色重点学科建设项目晋教材2012145通信地址 宋晨，太原市万柏林区窊流路66号太原科技大学0 引言九桥全地面起重机具有车身长、轴数多、质量大等特点。面对长度超过25米的车身，在普通道路上行驶，若采用和普通车辆一样的转向系统（只有一桥为转向桥），该种转向系统结构简单，成本低，但是转弯半径大，影响车辆通行能力。因此，为提高全地面起重机通行能力，全地面起重机多采用多桥转向技术。目前，国内外对多桥转向技术的研究多在三桥到七桥1-4之间进行，对九桥车辆转向研究的文献较少，核心敏感技术都在国外大公司保护中无法获得，因此对九桥转向技术进行研究具有非常重要的理论意义及工程意义。而采用多桥转向技术难点之一便是如何使各桥之间配合工作，当第一桥转过某一角度时，如何控制其他桥也转过相应角度，确保各车轮均做纯滚动运动。本文将就如何使各车桥之间协调工作与配合转向展开论述，并对转向系统进行优化。1 九桥转向装置理论分析1.1 单桥与多桥转向最小转弯半径是指当转向盘转到极限位置，汽车以最低稳定车速转向行驶时，外侧转向轮的中心平面在支撑平面上滚过的的轨迹圆半径。它在很大程度上表征了汽车能够通过狭窄弯曲地带或绕过不可越过的障碍物的能力。转弯半径越小，汽车的机动性能越好。最小转弯半径是车辆的一个极限值。根据阿克曼原理，车辆在行驶过程，每个车轮的运动轨迹必须完全符合它的自然运动轨迹，从而使轮胎与地面间处于纯滚动而无滑动。图1中为外转向轮偏转角；为内转向轮偏转角；B为两主销延长线与地面交点之间的距离；L为车辆轴距。如果想获得更小的转向半径，就必须使用多桥转向技术，如图2所示。图1 车辆转向示意图 (1) 图2 多桥转向车辆以某规格双桥汽车为例，B为1320mm，L为2600mm，采用单转向桥时，外侧轮胎偏转角度为28.2，内侧轮胎偏转角度为36.4，根据公式(1)可以算出，该车的转弯半径为5.5米。当采用双转向桥，假设内侧轮胎偏转角仍为36.4，B和L参数均固定，通过计算，转弯半径变为3.35米。转弯半径明显缩小，车辆通行能力得以提高，对比数据如表2。表1 单桥转向与双桥转向对比单转向桥内侧轮外侧轮轴距mm轮距mm转弯半径m36.428.2260013205.5双转向桥内侧轮外侧轮轴距mm轮距mm转弯半径m36.428.2260013203.35对于九桥全地面起重机，长度超过25米，如果采用单桥转向系统则车辆的转弯半径会很大，为了降低转弯半径，提高车辆通行能力，九桥式起重机采用多桥转向技术很有必要。1.2 九桥转向各桥理论关系根据阿克曼原理，假设第i轴距离转向中心线的距离为Li，各转向桥车辆偏转方向在转向中心线前的车桥与转向方向一致，在转向中心线后的车桥偏转方向与转向方向相反，恰好位于中心线上的桥不偏转。设车辆第i桥上内外侧轮胎转角分别为i和i。则不同转向桥同一侧转向轮之间的关系为： (2)oi为第j转向桥外轮转角；oj为第j转向桥内轮转角；Lj为第j转向桥到转向中心距离。通过建立九桥全地面其中转向系统二自由度数学模型及其运动微分方程，利用MATLAB建立仿真模型，研究了各转向桥转角之间的关系，并以最小转向半径为目标进行优化。结果表明：前地面起重机以5m/s速度行驶并全轮转向时，优化后得到前桥最佳转角为32.35。理论模型中，车辆质心所在的直线，与车辆转转向中心线是同一直线，但是通过模拟与实际情况发现，车辆质心所在直线与转向中心线并不重合，而是有细微不同。表2 MATLAB模拟转向偏角数据5117.620.825.628.832116.0518.6922.5325.0227.47214.4717.1821.324.126.95213.1815.3918.6520.822.9339.9311.8414.8116.8819.0339.0210.5812.914.4516.0146.577.859.8711.2912.7845.967.018.569.6210.6953.213.844.845.556.3152.913.424.194.715.256-3.8-4.55-5.73-6.57-7.466-3.45-4.05-4.97-5.58-6.227-7.2-8.61-10.81-12.35-13.987-6.54-7.68-9.38-10.53-11.698-14.47-17.18-21.3-24.1-26.958-13.18-15.39-18.65-20.79-22.939-17.6-20.8-25.6-28.8-329-16.05-18.69-22.53-25.02-27.46图3 多桥转向示意图在图3中i为第i桥内侧轮，j为第j桥内侧轮，Li为第i桥至转弯轴线的距离，Lj为第j桥至转弯轴线的距离，O为转弯圆心，第i桥到第j桥的距离为Lij，OQ长度为m，第i桥和第j桥对应的轮胎转角为分为i,j，令第i桥到质心的距离为Di。则质心距离转轴中心距离为y=Di-Li。 （3） 把任意一组Li，Lj，i,j带入方程可以求出Li，得出y=Di-Li=0.13m，转轴中心线位于质心所在直线前方0.13米处，具体参数如表3所示。表3 某全地面起重机部分参数桥数与质心所在直线距离m与转向中心线距离m第一桥8.0757.945第二桥6.5956.465第三桥4.5154.385第四桥3.0152.885第五桥1.5351.405第六桥1.5351.665第七桥3.0353.165第八桥6.3356.465第九桥7.8157.945设计转向控制装置，需知道各转桥之间的联动关系，设第一桥内转过的角度1,根据公式可得到第i桥内侧轮胎转角位为： （4）i为第i桥内侧车轮转角，1为第一桥内侧车轮转角，Li为第i桥距离转向中心线的距离，L1为第一桥距离转向中心线的距离。 2 九桥转向执行装置2.1 九桥转向联动装置 根据前一章的公式，设计转向执行装置,整体示意图如图4所示。在车桥上加装转向联动控制装置，该机构通过转向器控制，使各桥转过相应角度，符合阿克曼定理，能够使各轮胎在转弯时做纯滚动。在局部示意图5中，mn为车轮，C为滑动副，可在车轮mn上滑动，B为齿轮，可由转轴带动转动，转轴接方向盘，转轴转过角度由方向盘控制；A为齿条，与齿轮B啮合，齿条A可在B的转动下左右移动，从而带动滑动副C在mn上滑动，C在滑动的同时，由于A无法左右移动，便会带动mn偏转，从而实现轮胎转向。通过调整滑动副与转向轴之间的距离，便可控制轮胎转角。 图4 执行机构整体示意图图5 执行机构局部示意图当第一桥转过角度为1，令C1与桥之间距离为0.1，则A1水平向右移动的距离为L1： （5）齿轮B1与B2之间由同一传动轴连接，则齿条A2的水平移动距离也为L1，方向向右，令C2与桥之间距离为0.1229，则该桥轮胎的转角2为： （6） 将公式（5）（6）相除可得到： （7）结果完全符合阿克曼转向原理，并且各轴之间的转角关系只与C到桥的距离有关，通过改变C与桥之间距离即可，具体滑动副C距离车桥距离如表4所示。 采用多轴转向的车辆，转向中心线前后的车轮偏转方向不同，为解决此问题，采用直角锥齿轮，可实现前后转轴转向相反。如图6所示：图6 转向变向示意图表4 执行装置参数C与桥距离（m）最大偏转角（度）第一桥0.132.3第二桥0.122927.2第三桥0.181219.2第四桥0.257412.9第五桥0.56556.4第六桥0.47717.5第七桥0.25114.1第八桥0.122927.2第九桥0.132.32.2 梯形转向机构优化多桥车辆在转向时，不仅同一侧车轮偏转角度不同，同一桥上内外侧车轮偏角也不相同，根据图 7中B为两主销延长线与地面交点之间的距离,m为梯形臂长，j为梯形角。 根据公式（1），可得到内外角之间关系为： （8）式中w理论上外侧转角，n理论上内侧转角，B为两主销延长线与地面交点之间的距离，L为该桥距离转向中心线的距离。 根据梯形四杆机构移动分析原理，得出0 和1之间的关系为： （9）式中0实际上外侧转角，1实际上内侧转角，B为两主销延长线与地面交点之间的距离，L为该桥距离转向中心线的距离，m为梯形臂长，j为梯形臂角。梯形转向机构是一个函数复演机构，它所复演的函数即为车辆的理论内外论转角关系。可以近似的模拟阿克曼公式：利用数值分析软件分别汇出公式（8）（9）的图，如图7。图7 理想转向曲线和梯形机构转向曲线对于梯形机构的设置，与理想的转向曲线相似度越高，效果越好。根据梯形转向机构函数，可通过调整j和m的值以提高相似度。在实际优化过程中，可根据实际行驶情况以及各桥最大偏转角度不同设置确定各转角加权系数，在使用频率高转角位置附近，误差应尽可能的小，以减少高速行驶的轮胎磨损，不经常使用的大转角处，可适当放宽要求。本文在优化过程中以外侧车轮实际转角与外侧车轮理论转角偏差最小为目标函数，通过调整变量m和j的的值，使实际值尽可能接近理论值。优化过程中采用MATLAB软件，利用最小二乘法原理，m和j两个变量组成二维变化条件，在偏转角度范围内，根据要求精度，分成若干份进行计算。针对该问题，优化后数据如下表：表5 优化参数表B(m)L(m）m(米）j（度）最大偏角第一桥2.5637.9450.311.5932.3第二桥2.5636.6450.315.9127.2第三桥2.5634.3850.324.8719.2第四桥2.5632.8850.32512.9第五桥2.5631.4050.36.4第六桥2.5631.6650.37.5第七桥2.5633.1650.314.1第八桥2.5636.4650.315.9127.2第九桥2.5637.9450.311.5932.3在优化后，以第二桥为例，优化前当前轮转过20时，实际与理论差值为1.07，而优化后，最大偏差仅为0.03，结果完全可以满足工程应用。对于第四到七桥，由于最大偏转角度小，而且梯形机构外侧车轮偏角在小角度范围内与理想偏角差距很小，在实际应用中完全可以满足要求，一味追求最优值，反而会使梯形机构受力，转动受到影响。所以在满足精度需求的基础上，第四到七桥参数j选择25。参数m只是根据理论最优结果选取，在实际使用过程中，m值受到各种条件约束，可根据实际情况进行调整，再次进行优化。4 结语 (1）目前九桥转向执行系统采用液压反馈执行系统，该系统精度相对低，而且结构复杂。该转向机构的设置可以在很高的精度上符合阿克曼转向原理，且机械式执行机构稳定性好，效率高，成本相对较低。（2）在梯形转向机构中提出来了如何进行机构优化，并给出了具体优化值和MATLAB优化程序，极大的减少了计算量，只需输入相应参数与精度，便可得到最优方案。图11 第二桥优化前后偏差对比图参考文献：1 李华师，韩宝玲