叉车转向机构优化设计.pdf

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设计·计算
Design and Calculation
车转向机构佛化设计
吴信丽,章文誉,葛立银,吴天福,杨鸥
安徽合力股份有限公司
摘要分析叉车转向机构转向特性、结构形式和转向液压缸活塞杄受力情况,建立转向机构数学模型。在此基础上以转
角误差为约束条件,以转向液压缸推拉力最小为目标函数,对叉车转向机构进行优化设计,并对其进行实例计算,结果表明
优化后的转向机构不仅满足转角误差的限定条件,还可有效減少转向液压缸推拉力。该优化方法可对又车转向机构的设计
和叉车性能的改善提供一定的参考依据。
关键词:叉车;转向桥; MATLAE;带约束优化;转向液压缸推拉力
又车是在工厂、车间、仓库或工地完成又取、铲运、堆
垛等作业的一种工程车辆,具有直线行驶较少而转向频
转向机构分析
率较高的作业特点。转向机构是又车的关键部件,其结构1.1叉车转向机构的组成及工作原理
和尺寸对叉车的转向性能以及转向桥的可靠性有着重要
又车转向轮转角大,常见的转向机构多为双梯形结
影响。目前,大部分关于叉车转向桥的优化都是针对转角构,按结构布置形式可分为交叉式、八字式和双曲柄滑块
误差的,这样优化可使得轮胎磨损量减少,但叉车转向液机构。横置液压缸式转向桥是双曲柄滑块机构,具有形式
压缸推拉力也对转向桥的可靠性及寿命有很大影响,如简单、结构紧凑、布置方便和转角大等优点,广泛应用在
转向节断裂,液压缸接头渗漏等,因此,本文以横置液压叉车与牵引车等工程机械中。
缸式转向桥为研究对象,以转角误差为约束条件,以液压
本文所研究的横置液压缸式转向桥由转向桥体、转
缸推拉力最小为目标函数,对其结构进行了优化设计。
向节、连杆、转向液压缸和转向轮等组成,如图1所示。该
作者笛介:吴信丽(1970-),女,安徽准北人,高级工程师,研究方向:电动叉车的研究和设计。
481J2014-7
工和鯊
第45卷?第7期
总第489期
1.转向节2.连杆3.转向桥体4.转向液压缸5.转向轮6.主销
图1横置液压缸式转向桥结构示意图
机构转向过程可描述为:转向液压缸活塞杆在液压油的个瞬时中心点O做圆周滚动,则前内轮与前外轮的转角
作用下实现左右移动→连杆移动→转向节绕着主销转应满足下面的关系式
动→转向轮偏转→实现转向功能。其中,转向轮的角度可
ctg a-ctg B=
通过改变液压缸内的活塞杆行程加以控制。
1.2阿克曼理论转向特性
式中:a为转向桥外轮转角;B为转向桥内轮转角;L;为两
叉车在转向过程中,如果转向轮的偏转角相同,则前主销中心距离;L为叉车轴距。
后桥车轮的瞬间转向中心不一致,使车轮产生側滑,结果1.3转向液压缸活塞杆的受力情况分析
造成轮胎磨损量增加,行驶阻力变大,转向困难。为了让
叉车转向液压缸活塞杆受力情况如图3所示,转向
又车转向顺利,车轮在地面纯滚动且不产生侧偏,必须使时,转向液压缸活塞杆提供的推拉力须克服轮胎的转向
所有车轮绕同一瞬时转动中心滚动,即满足所谓的阿克阻力矩。为了保证叉车在最不利的情况下转向,通常以叉
曼( Ackerman)理论转向特性。
车原地空载转向时的阻力矩作为计算依据,单边轮胎的
如图2所示,叉车在转向行驶过程中,全部车轮绕一转向阻力矩可由下式求得:
G(e+0.132R)
M
(2
式中:M为单边轮胎阻力矩;G为单边轮胎的负载;为滚
动摩擦系数,一般取值0.025;e为轮胎触地中心与主销的
距离;为传动效率,一般取值0.8:为滑动摩擦系数,
般取值0.6~0.7;R为轮胎静力半径
由该阻力矩M可以计算出活塞杆的推拉力。转向时,
通过活塞杆推拉力作用,连杆1和2承受F和F2用以克
服转向阻力矩,因此,活塞杆的推拉力Fa和F。可由下式
求得:
F=F cos 6,3
M
(3
图2理想内外转角几何关系图
F。= F, cos 6= Mcos e
2014-7工和49
设计?计算
Design and Calculation
推力臂
拉力臂
M
Q
连杆1
连杆2
图3活塞杆受力情况
式中:b,b2分別为推力臂与拉力臂:61,62分别为活塞杆压缸推拉力最小为目标函数的数学模型对转向机构进
与连杆1和2之间的角度。
行优化。
2.1确定设计变量
2转向机构优化数学模型建立
已知需要优化的车型轴距为L6、主销中心距为L4,优
通过对我厂目前使用的转向桥分析得知,转角误差化设计转向机构时,在确保各部件不产生干涉的前提下,
小于某一定值时,轮胎磨损就可以达标。为达到内外转向定义转向节臂长Lい、连杆长2、液压缸活塞杆长度L和液
轮转角在符合阿克曼理论的前提下,尽可能减小转向液压缸的偏心距L为设计变量,具体参数位置参见图4。
压缸推拉力的目的,采用以转角误差为约東条件,以液
图4转向桥结构参数
2.2确定目标函数
过程分段,求出转向液压缸推拉力的最大值,即若将整个
根据对转向液压缸受力情况的分析可知,转向液压转向过程分为100段,那么可以得到100组转向液压缸
缸推拉力的大小取决于转向机构参数和轮胎转向阻力推力和拉力之和,令:
矩。由公式(2)和图3可知,在转向过程中,虽然转向阻力
F-max(F,+Fo)
(5)
矩为定值,但是由于连杆与液压缸活塞杆之间的角度会
则可得到此结构下转向液压缸推拉力之和的最大
发生变化,导致推力臂和拉力臂的长度不断发生变化,所值。通过优化设计变量,可得到不同结构下的转向液压缸
以转向液压缸推拉力是一个不断变化的值。将整个转向推拉力最大值F,因此可将目标函数可归纳为:
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