基于Solidworks Motion的備胎架收放裝置結構優化研究

彭超 李立順 李紅勛

軍事交通學院 天津 300161

基于Solidworks Motion的備胎架收放裝置結構優化研究

彭超 李立順 李紅勛

軍事交通學院 天津 300161

某專用車備胎架進行收放的過程中，在放下的起始階段和收起的結束階段，會出現運動不平穩的現象[1]。針對這個現象，對其產生的原因進行了研究分析，通過Solidworks Motion軟件對該備胎架收放裝置的結構進行了優化設計，并且驗證了優化方案對解決備胎架收放抖動問題的有效性。

備胎架 結構改進 仿真分析

1 前言

某專用車底盤采用常流式動力轉向系統，并在動力轉向系統的基礎上增加一個回路，通過液壓缸實現備胎架的收放，備胎架收放液壓原理圖如圖1所示[2]。備胎架收放過程中，發動機處于怠速狀態，液壓缸液壓桿速度恒定，但備胎在下降的起始階段和收放的結束階段，速度很快，加速度較大，備胎架運動不平穩。為了解決這個問題，筆者分析了備胎架結構方面存在的問題，對備胎收放裝置的機架進行了改進，經過仿真驗證，機構運動問題得到了較好地改進。

2 備胎架建模與運動仿真

2.1 Solidworks軟件建模

備胎架各組成部分如圖2所示。

為便于分析，本文對備胎架裝置的結構進行了簡化，在計算時忽略了液壓缸和各桿件的質量，只考慮車輪的質量108.5 kg，搖臂的擺角范圍為64°～232°，建立了三維實體模型，備胎架運動設定的極限位置如圖3所示。

圖1 備胎架收放液壓原理圖

圖2 備胎架裝置組成

圖3 備胎架極限位置

2.2 Motion仿真

Motion是Solidworks內部運動仿真插件，不需復雜設置，即可獲得機械運動到任意位置時零件的運動軌跡、位移、速度、加速度等仿真結果。因為備胎架下降時，發動機處于怠速狀態，泵的流量近似等于液壓缸的流量，因而對于液壓缸活塞桿的運動，有：

式中，Q1為液壓缸流量，L/min；Q2為泵的流量，L/min； A為無桿腔活塞面積，mm2；D為無桿腔活塞直徑，mm。

查閱資料得知，該型號車輛的轉向助力泵怠速狀態下流量Q2=6 L/min，無桿腔活塞直徑D=66 mm。計算可得，備胎架下放過程，活塞桿的速度V近似等于29.2 mm/s。在Solidworks Motion軟件中，先設定好備胎收放裝置的起始角度，與水平面夾角為64°，設定活塞桿添加相對液壓缸的速度為29.2 mm/s，設置仿真時間為18 s，每秒仿真步數為25步。運行仿真，并對仿真結果進行處理，如圖4所示。圖4中，a1、a2點分別表示備胎架高處起始點的角速度和角度，b1、b2點分別表示備胎架下降末位置的角速度和角度。從a2點到b2點，備胎架從高處起始位置下降到底端末位置，實現了備胎所在運動桿件與水平面從64°轉動到232°的過程。備胎架下降的過程，前一段時間速度較大，其中備胎起始速度為34.5 rad/s，之后角速度減小且變化較快，在最小速度附近一段時間內趨于穩定，最小速度約為7.4 rad/s ，之后速度緩慢上升至末端速度，約為13.6 rad/s 。

圖4 備胎架運動過程角度、角速度變化曲線

備胎架下降過程的速度變化快慢特性，類似于四桿機構的急回特性。四桿機構的急回特性是當曲柄勻速轉動時，搖桿往復擺動的平均速度有較大差異。備胎收放裝置的一部分如圖5所示，與機架左側相連的連架桿作為曲柄，與機架右側相連的是液壓缸，曲柄整周轉動時，液壓缸做往復運動，類似四桿機構的搖桿。

圖5 備胎架裝置右側部分

對該機構進行仿真分析，設定曲柄角速度為1 rad/s，使曲柄做整周運動，設置仿真時間為15 s，每秒仿真步數為25步，運行仿真，仿真分析結果如圖6所示，得到液壓缸的運動規律。由圖6可見，ab段液壓缸的擺動平均速度明顯大于bc段，從而可知該備胎架裝置也存在類似的急回特性，這種急回特性使備胎收放速度較難控制。

圖6 急回特性運動規律

3 備胎架改進[3]

由圖4中備胎架仿真結果可知，備胎架下降過程的前一段時間速度較大且變化快；后一段時間速度較小，變化較小；中間過程速度最小且平穩。這種結構設計的缺陷，使得備胎下降初始時產生抖動，速度較大。本文采用的改進方法是，通過改變機架結構位置改變運動桿件的位置。這種方法相對簡單，能較好地達到預期效果。由備胎運動仿真結果可知，下降末端速度是13.6 rad/s，可知備胎位于低處時，速度較小，而備胎位于高處時，其起始速度為34.5 rad/s，下降速度過快，極易造成危險。改進方案的目的是使備胎下降過程避免出現速度較大的位置，即保持運動構件之間相對位置不變，僅調整機架結構位置和機架與運動構件連接方式，相當于使原運動構件相對于原機架逆時針轉動一定角度。由圖4備胎架仿真結果可知，當備胎架從64°轉動到特定位置90°時，速度大幅減小且更加平穩，故取原運動構件逆時針轉動26°，最終使備胎下降初始速度減小。備胎架改進過程簡圖如圖7所示，改進方案與原方案三維模型對比如圖8所示。

圖7 備胎架改進過程簡圖

圖8 方案與原方案三維模型對比圖

4 改進方案的仿真驗證

通過Solidworks Motion軟件對方案進行仿真驗證，Motion中的設置與前述原備胎架的仿真設置類似。將仿真結果與原備胎架的仿真結果對比分析，改進后的方案與原備胎架裝置進行備胎下降時角速度變化的比較，如圖9所示，曲線的端點c1、d1分別表示原備胎架和改進后備胎架與水平面成64°位置處的角速度值，曲線末端c2、d2分別表示原裝置及改進方案與水平面成232°位置處的角速度值。

圖9 改進方案與原裝置對比圖

通過分析可以得知，改進方案能較好地解決備胎放下過程開始階段速度較大的問題，在備胎下降過程中速度相對平穩，同時改進方案也能夠滿足備胎收放需要的角度，即實現備胎架與水平面夾角從64°到232°的變化。

5 結語

本文通過Solidwork軟件對備胎架收放裝置進行建模及仿真優化，在原運動構件相對位置不變的基礎上，改變機架構造以及機架與運動部件的連接位置，從而使備胎架在下降初始階段能夠合理避開速度較大的位置，有效改善了備胎收放過程中高處運動的不平穩現象，提高了裝備使用的可靠性。

[1] 詹雋青,賈英杰,李立順等.備胎收放系統優化改進[J].起重運輸機械,2015(07):111-114.

[2] 吳彥,董紅贊.對采煤機搖臂調高抖動問題的研究[J].煤礦機電,2007(1):19-20.

[3] 崔銳,李娟.平衡閥在采煤機液壓系統中的使用[J].機械工程師, 2012(9):89-89.

Optimization Research of Structure of Spare Tire Rack Based on Solidworks Motion

PENG Chao et al

In the process of carrying spare tire, the spare tire rack of a special vehicle will jitter and be instability in the initial stage of the descent process or in the end stage of recovery stage. In this paper, the causes of this phenomenon are studied and analyzed, and Solidworks Motion is used to optimize the structure of the retracting device and prove the effectiveness of the improved scheme to solve the vibration problem.

spare tire rack; structure improvement; simulation analysis

彭超，男，1993年生，碩士研究生，現從事特種車輛仿真方面的研究。

U 463.32+6

A

1004-0226(2017)01-0092-03

2016-11-03