基于MATLAB和ADAMS的叉車曲柄滑塊式轉向機構優化分析

張增密 韓飛坡 李逸天 劉云松

摘要：曲柄滑塊式轉向機構是一種常見的轉向機構，其作為叉車轉向橋的核心機構對叉車的轉向功能具有至關重要的作用.本文通過對該機構空間運動分析、數學建模，確定出了該機構外輪實際轉角、理論轉角之間的關系，將兩者之間的最大偏差值的最小化作為優化目標，利用MATLAB提供的優化算法，對該機構進行優化設計.根據優化所得尺寸參數，在ADAMS中建立相應的虛擬樣機，對樣機做了運動仿真分析，分析數據表明優化參數合理、準確.

關鍵詞：MATLAB;ADAMS;轉向機構：優化設計

中圖分類號：TH122? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）02-0075-02

0 引言

叉車是機動工程車輛的典型機種，常常在碼頭、工業貨倉、工廠等物流集散地進行堆碼、拆垛、轉運等作業.在叉車轉向機構中，由于曲柄滑塊式轉向機構轉向性能優良，使用該機構制造的轉向橋結構緊湊、可以輸出較大轉向力矩，該機構在叉車整車設計中得到了廣泛應用[1].

低頻率的直線行駛、高頻率的轉向是叉車作業主要特點，頻繁的轉向會造成叉車輪胎壽命大大縮短，因此，對叉車轉向機構進行優化設計分析具有深遠的意義.

1 叉車曲柄滑塊式轉向機構模型簡化及數學模型建立

轉向機構簡化模型如圖1所示，圖中各符號所對應原轉向機構含義如下：r-轉向節節臂長度;f-連接桿長度;e-油缸偏距;M-主銷中心距;θ-初始時轉向節節臂和主銷孔中心線夾角;H-油缸活塞桿總長;T0-初始時油缸活塞端部到主銷距離;S-油缸活塞桿在水平方向上移動距離.該機構在油缸的驅動下，油缸活塞桿沿水平位置向右移動，機構發生偏轉，轉向機構由粗實線位置轉移至細單點長劃線位置.此時，左、右車輪轉過的角度分別為α、λ.

3 轉向機構模型驗證分析

根據MATLAB優化后的機構尺寸，利用ADAMS軟件[3]對轉向機構進行幾何體建模，并施加約束副和驅動副，最終樣機模型如下：

在樣機模型上對內、外車輪轉角分別創建測量函數，并利用ADAMS/PostProcessor繪制出內、外輪轉角的關系曲線，圖4中橫坐標為該機構的內輪轉角，縱坐標為該機構的外輪轉角.

圖4所得內、外輪轉角關系圖應與叉車只做純滾動時內、外輪轉角的理論關系圖一致.為此可以將樣機中的內輪轉角關系轉變為數據的形式（將上圖中的橫坐標和縱坐標從ADAMS導出），并利用MATLAB工具將其與叉車純滾動時的內外輪轉角關系做對比.

圖5顯示了轉向機構在實際和理想情況下的內外輪轉角關系，其中實線是理想情況下的轉角關系情況，虛線是優化后機構的實際轉角情況.從圖中可以看出，優化后的內、外輪轉角關系與理論的內、外輪轉角關系一致.

圖6為轉向機構在實際、理論情況下的內、外輪轉角誤差曲線圖.從圖中可以看出，本次優化后的轉向機構內、外輪轉角誤差不大于0.7°，完全滿足實際需求，因此優化參數合理.

4 結束語

對叉車曲柄滑塊式轉向機構進行了幾何、運動分析，建立了相應的數學模型，使用MATLAB工具箱對機構進行了優化分析.根據MATLAB提供的優化尺寸數據，在ADAMS軟件中對其建模并進行了運動仿真分析，得到樣機內、外輪轉角關系，同時將內、外輪轉角關系在實際樣機和理論情況下做對比.最終可知，通過MATLAB優化后的轉向機構尺寸所建立的樣機，其內、外輪轉角關系與理想狀態下的內、外轉角關系極為吻合，最大轉角誤差不超過0.7°，滿足工作需要.

參考文獻：

〔1〕陶元芳，衛良保.叉車構造與設計[M].北京：機械工業出版社，2010.

〔2〕李杰.電動平衡重式叉車轉向機構設計研究[D].廣西大學，2013.

〔3〕郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.