基于ADAMS的平衡重式叉車轉向系統建模與優化設計

孫保群, 何 龍, 夏 光

(合肥工業大學 汽車工程技術研究院, 安徽 合肥 230009)

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基于ADAMS的平衡重式叉車轉向系統建模與優化設計

孫保群, 何 龍, 夏 光

(合肥工業大學 汽車工程技術研究院, 安徽 合肥 230009)

針對叉車設計過程重復性勞動量大、開發周期長和成本高的缺點,文章基于ADAMS軟件對叉車轉向系統進行參數化建模,并對轉向特性參數和相關運動關系及約束進行闡述和設定。利用ADAMS軟件提供的優化計算,對該轉向機構進行優化設計,優化后的平均累計轉角誤差比優化前降低了0.41°,表明轉向機構的優化設計有效,提高了叉車轉向系統的性能。

平衡重式叉車;轉向系統;ADAMS軟件;參數化建模;優化設計

隨著市場經濟的發展,叉車普及率越來越高,遍及國民經濟的各行各業[1-2]。平衡重式叉車以其工作范圍小、轉向靈活、機動性強等優點,在各個工作場合得到廣泛使用。由于行駛路況復雜、工作環境惡劣,對叉車的使用性能尤其是轉向系統性能的要求越來越高[3-5]。

文獻[6]以線控轉向傳動比的控制為研究對象,提出了叉車轉向傳動比模糊控制策略,使靈敏度趨近于常數,有利于提高叉車操作穩定性;文獻[7]研究了主銷內傾角對叉車轉向的影響，以主銷內傾角為變量,回正力矩最大為目標函數,對樣機進行優化,提高回正力矩;文獻[8-11]進行了叉車轉向動力特性和穩定性分析。

針對叉車設計過程重復性勞動量大、開發周期長和成本高的缺點,本文基于ADAMS虛擬樣機軟件對叉車轉向系統進行參數化建模,并對轉向特性參數和相關運動關系及約束進行闡述和設定,分析叉車的轉向性能,實現對叉車轉向系統的優化設計,提高叉車轉向機構性能,降低叉車轉向系統設計周期和成本,從而提升叉車產品的市場競爭力。

1 ADAMS/View模塊

基于ADAMS的平衡重式叉車建模主要采用ADAMS/View模塊,ADAMS/View是ADAMS系列產品的核心模塊之一,采用以用戶為中心的交互式圖形環境,將圖標操作、菜單操作、鼠標點擊操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、優化設計、X-Y曲線圖處理、結果分析和數據打印等功能集成在一起。ADAMS/View提供了豐富的位移函數、速度函數、加速度函數、接觸函數、樣條函數、力/力矩函數、合力/力矩函數、數據元函數、若干用戶子程序函數以及常量和變量等,便于完成建模工作。

2 轉向機構建模

平衡重式叉車轉向基本采用全液壓轉向系統,近年來在叉車行業得到廣泛應用的是橫置油缸式全液壓轉向機構[4,12],它具有轉向性能優良、轉向橋結構緊湊和機構參數少等優點。

橫置油缸式全液壓轉向機構如圖1所示。轉向機構主要是由轉向橋體、轉向節臂、連桿和轉向液壓缸等組成的6連桿機構,其中轉向橋體和轉向油缸固定。通過油缸活塞的左右移動帶動連桿運動,連桿帶動轉向節臂使車輪左右擺動,實現轉向。

圖1 橫置油缸轉向機構示意圖

2.1 轉向機構部件建模

通過ADAMS/View零件庫的連桿(Link)創建的轉向橋體寬為60 mm、高為30 mm,選擇Point-1(-1 700 mm,-154 mm,-405 mm) 和Point-6(-1 700 mm,-154 mm,405 mm)創建出轉向橋體[13-14]。

采用相同的方法創建轉向節臂、連桿和轉向液壓缸,另一側轉向機構建立方法相同,建立的轉向機構部件模型如圖2所示。

圖2 轉向節臂、連桿、轉向液壓缸和轉向橋體模型

2.2 車輪和地面模型建立

由轉向機構的各構件間的運動關系可以得到叉車轉向系統中共有6個旋轉副。其中,轉向橋體與地面之間施加固定副,轉向橋體分別與左右轉向節臂之間施加旋轉副,拉桿與轉向節臂之間施加旋轉副,轉向油缸與地面之間施加移動副,輪胎與轉向節之間施加旋轉副[15]。建立的轉向機構模型如圖3所示。

圖3 轉向機構模型

叉車轉向系統的轉向是通過橫置轉向油缸的移動實現的,具體步驟如下:當駕駛員想轉動方向盤時,橫置轉向油缸向左移動,油缸活塞的移動帶動連桿的移動,從而帶動轉向擺臂向左移動,由于轉向橋體固定,因此帶動輪胎向左轉移,實現右轉,相同的原理即可實現叉車的左轉。

3 轉向機構模型優化

為使建立的轉向系統模型盡可能滿足各車輪,在轉向過程中車輪軸線應相交于一點,車輪與地面之間均作純滾動的理論設計要求,需要對建立的轉向機構模型進行優化設計,以減小轉向時地面對輪胎的磨損,提高叉車的轉向性能。采用ADAMS/View提供的參數化坐標建模方法進行轉向機構模型的優化設計。

3.1 轉向機構轉角誤差定義

根據叉車轉向系統理論研究和實際需要,叉車轉向時,為保證車輪作純滾動,需滿足:

(1)

其中,α為外轉向輪偏轉角;β為內轉向輪偏轉角;M為主銷間距;B為輪距。

以β作為測量的車輪偏轉角,α理作為計算的理論車輪偏轉角,則有:

(2)

叉車轉向時轉角誤差為:

(3)

3.2 轉向機構模型的誤差分析

對主銷距M=810.0 mm、節臂初始角θ=58°、轉向節臂長r=107 mm、液壓缸偏距s=56.70 mm和連桿長l=95.2 mm的叉車轉向系統進行仿真測試, 得到右輪轉向時左輪轉向的理想與實際曲線,如圖4所示,轉向誤差曲線如圖5所示。

圖4 右輪轉向時左輪轉向理想與實際曲線

圖5 轉向誤差曲線

從圖4可以看出,在初步的轉向過程中α的理論與仿真值的誤差最小為0°,最大值為3.86°,平均誤差為1.03°,而隨著轉角的增大誤差有變大的趨勢,因而為提高轉向機構的轉向性能,有必要對該機構進行優化設計。

3.3 定義設計變量

采用參數化點的方式建模時,參數化點主要提供多體系統模型中各個對象(部件、約束、標架、力、力元等)的位置坐標,修改對象通過修改這些參數化點來完成。因此在參數化點方式建模時,參數化點是最基本的要素。參數化點方式建模的步驟為確立參數化點、創建參數化點、創建模型部件、創建聯接關系以及創建驅動、力或力元。

以轉向機構的4個獨立參數χ=(r,θ,s,l)作為設計變量,r為轉向節臂長,θ為節臂初始角,s為液壓缸偏距,l為連桿長,對各設計點進行參數化,完成模型的參數化建模。

3.4 定義目標函數

優化設計的主要目的是保證車輪轉向時車輛做純滾動。以轉向機構轉向輪仿真轉角與理論轉角之間的誤差最小為目標函數,以外輪轉角α為參數、β為輸入角度,以叉車的主銷距M和輪距L作為已知條件,目標函數可表示為:

(4)

由于在ADAMS中無法直接定義積分運算,但是存在求和函數sum,該函數的具體意義為對目標函數在仿真的過程中每個step所得的結果求和。為了獲得與該函數等價的替代函數,必須把驅動定義在α角所在定點的旋轉副,即表示函數是對α的每次變化所得函數值的求和。最后得到目標函數為:

sum(abs(.chache.LXJL-.chache.ZXJL));

其中,.chache.ZXJL為轉向系統左輪的實際值;.chache.LXJL為轉向系左輪的理想值,表達為:

ATAN{TAN(.chache.DV-1-.chache.

CSJR)/[0.24 TAN(.chache.DV-1-.

chache.CSJR)+1]}。

3.5 確定約束條件

考慮轉向機構的要求,空間位置的布置、結構等因素,初步給出下列限制條件:

75 mm≤r≤125 mm; 50°≤θ≤90°;

30 mm≤s≤70 mm; 90 mm≤l≤200 mm。

為減小仿真試驗的計算量,設置仿真Default level為2的粗略試驗,得到最優值所在大致范圍后,再縮小限制范圍,設置更高精度的試驗等級,以獲得更精確的最優解。

4 優化結果與分析

利用ADAMS/View所提供的試驗設計的優化方法,進行試驗設計分析,通過多次試驗可得到最終的優化結果。

4.1 參數設置

Design evaluation tools參數設置如圖6所示。在圖6中Default Levels文本框中輸入變量范圍的等分水平數。在開始試驗設計時,一般設置成3或4,以初步確定4個變量的最優值所處的大概范圍,然后縮小范圍逐步試驗。同樣可以先試驗1個變量來確定最優值的大概范圍,然后進行4個變量的同時優化,極大地縮減計算機的運算量和運算時間。

圖6 Design evaluation tools參數設置

4.2 優化結果分析

對試驗設計的優化結果進行分析,并綜合考慮結構安排和空間位置的限制以及轉向系所要求的最大轉角,取得最優值為:r=88.92 mm,θ=75.21°,s=189.85 mm,l=56.59 mm。

目標函數的優化結果如圖7所示。

圖7 優化后轉角α誤差與累計誤差的曲線

優化后轉角在50°內α的理論值與仿真值的誤差最大值為2.84°,累計誤差的最大值為18.89°,平均誤差為0.62°。對比優化前的平均累計誤差1.03°,說明叉車的設計值接近優化值,滿足叉車轉向系統的設計要求。

5 整車模型建立與仿真

在叉車轉向機構模型的基礎上,根據設計的參數導入叉車模型,建立叉車的整車模型。為了便于仿真,在不影響結果的前提下,將叉車整車質量抽象為質心點,即由同樣質量和轉動慣量的圓球代替。修改約束,即轉向橋體與底盤間的約束為固定副、轉向油缸與底盤間的約束為移動副;添加約束,即驅動橋體與底盤間的約束為固定副、2個驅動輪與驅動橋間為旋轉副;并分別添加施于輪胎上的力矩,建立的整車模型如圖8所示。

圖8 整車模型

進行空載工況下叉車最小轉彎半徑的運行狀態,并逐步提高車速,通過對各輪壓地力的情況來反映叉車穩定性仿真,各車輪壓地力和叉車橫擺角速度曲線如圖9所示。

圖9 各車輪壓地力和叉車橫擺角速度曲線

由圖9a可知,在速度逐漸增加時,叉車后輪壓地力僅略有下降,其主要原因為:叉車后橋為鉸接結構,叉車隨著速度增加,車體將先發生傾斜,造成重心略微內移,因此外側后輪壓地力并無明顯下降。但當車身傾斜到一定角度時,限位擋塊與后橋接觸,造成車身不再傾斜移動,叉車隨著車速逐步提升后,外側后輪壓地力形成線性降低,直至外側車輪壓地力為0,叉車完全側翻。由圖9b可知,隨著轉向速度逐漸增大,叉車橫擺角速度也隨之增大,當橫擺角速度增大到25.4(°)/s時,叉車可能發生測滑或者甩尾等危險工況。

6 結 論

本文基于ADAMS軟件建立叉車轉向系統模型,并對轉向特性參數和相關運動關系及約束進行闡述和設定,分析叉車的轉向性能。利用ADAMS 提供的優化計算,通過參數化建模對該轉向機構進行優化設計,叉車轉向機構優化后的平均累計轉角誤差比優化前降低了0.41°,表明了叉車轉向系統優化設計的有效性,提高了叉車轉向系統的性能。

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(責任編輯 胡亞敏)

Modeling and optimization design of steering system of counterbalanced forklift truck based on ADAMS

SUN Baoqun, HE Long, XIA Guang

(Institute of Automobile Engineering Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In view of the repetitive work capacity, long development cycle and cost disadvantage of forklift design process, the parametric modeling of the truck steering system is conducted based on ADAMS software, and the steering characteristic parameters and relationships and constraints related to sport are elaborated and set. The optimization design of the steering mechanism is done by using the optimization calculation of ADAMS software, and the optimized average cumulative angular error is 0.41° lower than before, indicating that the optimization design of the steering mechanism is effective and has improved the performance of the truck steering system.

counterbalanced forklift truck; steering system; ADAMS software; parametric modeling; optimization design

2015-10-21；

2015-12-17

國家自然科學基金資助項目(51205101);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(JZ2014HGBZ0054)

孫保群(1956-),男,安徽定遠人,合肥工業大學研究員,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.09.002

U270.11

A

1003-5060(2016)09-1158-05