高空车转向机构转弯半径优化设计

刘 丹 邓安田 陆进添

(三一帕尔菲格特种车辆装备有限公司研究院，江苏226000)

剪叉车高空作业平台是一种能够在高空作业的工程车辆机械，具有移动灵活、升降快速和安全可靠等特点，在建筑等施工领域有广泛的应用空间。转向机构是高空作业车转向系统的主要执行组件，为适应高空车在狭小的空间移动等工况，需要转向机构能够使作业车有较小的转弯半径，同时尽可能减轻或避免磨胎。通过对转弯半径的选取以及对转弯偏差的优化，有利于增强高空车的转向性能、改善轮胎磨损、减小转向力和增强操作稳定性。

1 转向机构简介

剪叉车高空车通常采用的转向机构如图1所示，其实质上是共用同一个滑块的曲柄滑块机构，此转向机构结构简单，具有良好的转向性能，能够适应高空作业车的转向要求。通过对转向油缸的进出油口进行控制，驱动活塞杆运动，活塞杆的运动带动转向连杆，转向连杆作用于连杆轴，使转向轮克服地面的摩擦阻力矩，连同转向支架一起绕转向轴转动，从而达到转向目的。

2 转弯分析

2.1 实际转向与理想转向对比

对于前轮为转向轮的车辆转向时，车轮最理想的偏角关系如图2(a)所示，四个车轮均能纯滚动，车轮的内外偏角应满足Ackerman转向原理：BL=cotω-cotω′。而实际的转弯如图2(b)所示。

1—转向轴 2—转向连杆 3—转向油缸 4—活塞杆 5—连杆轴 6—液压马达 7—转向支架 8—车轮

(a)理想的转弯(b)实际的转弯

图2 转向原理

Figure 2 Steering principle

根据Ackerman转向原理，可由一侧的偏角确定另一侧的理论偏角。在实际的转向机构中，采用单缸双摇杆滑块式转向机构，较梯形四杆式转向机构的转角符合率有显著提高，但与四轮均做纯滚动的理论转角仍有一定的差距，两个转向轮的圆心不在同一点，因此，需要通过优化尺寸尽可能减小这种差异。根据车轮位置分析，得到实际的两侧转向轮的转角关系，以一侧的车轮偏角为变量，可确定另一侧的车轮偏角，由此确定两转向轮的实际偏角关系。将实际偏角与理想偏角进行对比，可以分析转向性能、实际转角与理论转角的差异随其中一侧转角的变化关系，如图3所示。在工作时，作业车的转向以做较小角度或大角度转弯为主，此时实际转角与理想转角差异不超过2°，最大差异发生在转向轮向内偏65°左右的位置，且最大差异不超过5°，能够较好地提升转向性能，改善转弯时轮胎的磨损现象。

2.2 转弯半径的确定

转弯半径存在几种情况，如图4所示，具有A、B、C以及在AB之间共四种情况。A转弯半径最小；B旋转中心在后轮上，其他3个车轮均做纯滚动，但旋转中心所在轮却做滑动，轮胎磨损现象较重，要防止此现象的发生，应使车轮的最大外偏角度不超过90°；C是一般情况，为了有效地避免轮胎磨损以及拥有较小的转弯半径，可以通过对液压缸杆的行程等参数进行适当控制，使旋转中心能够与后轮保持一定距离。以获得较小转弯半径的同时避免轮胎磨损为基本原则，确定作业车的最小转弯半径。经过实验测试，当最大外偏角为80°时没有明显的轮胎磨损现象，此时对应的另一侧转角为ω，则最小转弯半径R=Lsinω。

3 转向机构的优化

3.1 仿真验证

利用ADAMS进行刚体部件的虚拟样机分析，在ADAMS中建立简化模型，对所创建的部件赋予实际部件的质量质心等属性，即可达到与实际模型同样的分析效果。由于转向机构的研究所关心的是油缸的受力以及各铰点的受力，所以仅考虑转向机构在工作平面内的受力情况。转向机构运动需要提供的驱动力如图5所示，在转向极限位置驱动力最大，要使转向机构正常工作至少需要超过最大需要的油缸力。

转向机构车轮偏转角度与理想偏转角度的差异如图6所示，可以得到两侧车轮的偏转曲线，将此曲线与满足Ackerman转向原理的理想车轮偏转曲线进行对比即可得到转向性能。通过ADAMS仿真得到的受力情况和运动情况与解析法计算一致。

图3 实际转角与理想转角差异

图4 几种转弯情况

Figure 4 Turning situations

图5 转向机构运动需要提供的驱动力

Figure 5 Drive force providing for steering mechanism motion

图6 实际偏转角与理想偏转角的差异

Figure 6 Difference between actual deflection angle and ideal deflection angle

3.2 优化设计

对于转向机构的受力或转角优化，是在可行的范围内通过改变连接点在平衡时的位置(长度和位置尺寸)的反复组合，从中找出目标函数的最优解。由转向机构的空间工作几何关系确定连接点的可行域，在ADAMS中建立参考点，在可行域内将其坐标设为实数变量，并与对应构件关联，使最大油缸力最小，以实际转角与理想转角的差异最小为优化目标函数，进入设计评价工具，进行实验设计和优化设计。优化转向角的目标函数为：

油缸力和实际转角与理想转角的偏差的优化结果分别如图7、图8所示。大角度转向时，最大油缸力和实际转角与理想转角的差异均有明显改善。

图7 优化前后油缸力对比

图8 优化前后实际转角与理想转角差异对比

4 结论

(1)根据转向机构的设计需求，通过对转弯半径的分析，确定了最小转弯半径、设计了车轮转向偏角的原则为转向轮的最大外偏转角为80°；

(2)利用ADAMS虚拟样机仿真的方法对转向机构的结构几何参数和受力性能进行了验证，结果与解析法计算一致，使用此法能够提高设计效率；

(3)使用优化工具以实际转角与理想转角的差异最小为优化目标函数进行了优化，结果表明：通过优化可以降低实际车轮偏角与理想偏角的差异，并且降低了转向油缸力。