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摘要:通過對高空作業車轉向系統的轉彎半徑的分析，確定了最小轉彎半徑和車輪轉向偏轉角的設計原則;利用ADAMS虛擬樣機仿真的方法對轉向機構的結構尺寸進行優化，結果表明:通過優化尺寸可以降低實際車輪偏轉角與理想偏轉角的差異，并且降低了轉向油缸力。
剪叉車高空作業平臺是一種能夠在高空作業的工程車輛機械，具有移動靈活、升降快速和安全可靠等特點，在建筑等施工領域有廣泛的應用空間。轉向機構是高空作業車轉向系統的主要執行組件，為適應高空車在狹小的空間移動等工況，需要轉向機構能夠使作業車有較小的轉彎半徑，同時盡可能減輕或避免磨胎。通過對轉彎半徑的選取以及對轉彎偏差的優化，有利于增強高空車的轉向性能、改善輪胎磨損、減小轉向力和增強操作穩定性。
1轉向機構簡介
剪叉車高空車通常采用的轉向機構如圖1所示，其實質上是共用同一個滑塊的曲柄滑塊機構，此轉向機構結構簡單，具有良好的轉向性能，能夠適應高空作業車的轉向要求。通過對轉向油缸的進出油口進行控制，驅動活塞桿運動，活塞桿的運動帶動轉向連桿，轉向連桿作用于連桿軸，使轉向輪克服地面的摩擦阻力矩，連同轉向支架一起繞轉向軸轉動，從而達到轉向目的。
2轉彎分析
2．1實際轉向與理想轉向對比
對于前輪為轉向輪的車輛轉向時，車輪最理想的偏角關系如圖2(a)所示，四個車輪均能純滾動，車輪的內外偏角應滿足Ackerman轉向原理:根據Ackerman轉向原理，可由一側的偏角確定另一側的理論偏角。在實際的轉向機構中，采用單缸雙搖桿滑塊式轉向機構，較梯形四桿式轉向機構的轉角符合率有顯著提高，但與四輪均做純滾動的理論轉角仍有一定的差距，兩個轉向輪的圓心不在同一點，因此，需要通過優化尺寸盡可能減小這種差異。根據車輪位置分析，得到實際的兩側轉向輪的轉角關系，以一側的車輪偏角為變量，可確定另一側的車輪偏角，由此確定兩轉向輪的實際偏角關系。將實際偏角與理想偏角進行對比，可以分析轉向性能、實際轉角與理論轉角的差異隨其中一側轉角的變化關系，如圖3所示。在工作時，作業車的轉向以做較小角度或大角度轉彎為主，此時實際轉角與理想轉角差異不超過2°，最大差異發生在轉向輪向內偏65°左右的位置，且最大差異不超過5°，能夠較好地提升轉向性能，改善轉彎時輪胎的磨損現象。
2．2轉彎半徑的確定
轉彎半徑存在幾種情況，如圖4所示，具有A、B、C以及在AB之間共四種情況。A轉彎半徑最小;B旋轉中心在后輪上，其他3個車輪均做純滾動，但旋轉中心所在輪卻做滑動，輪胎磨損現象較重，要防止此現象的發生，應使車輪的最大外偏角度不超過90°;C是一般情況，為了有效地避免輪胎磨損以及擁有較小的轉彎半徑，可以通過對液壓缸桿的行程等參數進行適當控制，使旋轉中心能夠與后輪保持一定距離。以獲得較小轉彎半徑的同時避免輪胎磨損為基本原則，確定作業車的最小轉彎半徑。經過實驗測試，當最大外偏角為80°時沒有明顯的輪胎磨損現象，此時對應的另一側轉角為ω，則最小轉彎半徑R=L?sinω。
3轉向機構的優化
3．1仿真驗證
利用ADAMS進行剛體部件的虛擬樣機分析，在ADAMS中建立簡化模型，對所創建的部件賦予實際部件的質量質心等屬性，即可達到與實際模型同樣的分析效果。由于轉向機構的研究所關心的是油缸的受力以及各鉸點的受力，所以僅考慮轉向機構在工作平面內的受力情況。轉向機構運動需要提供的驅動力如圖5所示，在轉向極限位置驅動力最大，要使轉向機構正常工作至少需要超過最大需要的油缸力。轉向機構車輪偏轉角度與理想偏轉角度的差異如圖6所示，可以得到兩側車輪的偏轉曲線，將此曲線與滿足Ackerman轉向原理的理想車輪偏轉曲線進行對比即可得到轉向性能。通過ADAMS仿真得到的受力情況和運動情況與解析法計算一致。
3．2優化設計
對于轉向機構的受力或轉角優化，是在可行的范圍內通過改變連接點在平衡時的位置(長度和位置尺寸)的反復組合，從中找出目標函數的最優解。由轉向機構的空間工作幾何關系確定連接點的可行域，在ADAMS中建立參考點，在可行域內將其坐標設為實數變量，并與對應構件關聯，使最大油缸力最小，以實際轉角與理想轉角的差異最小為優化目標函數，進入設計評價工具，進行實驗設計和優化設計。油缸力和實際轉角與理想轉角的偏差的優化結果分別如圖7、圖8所示。大角度轉向時，最大油缸力和實際轉角與理想轉角的差異均有明顯改善。
4結論
(1)根據轉向機構的設計需求，通過對轉彎半徑的分析，確定了最小轉彎半徑、設計了車輪轉向偏角的原則為轉向輪的最大外偏轉角為80°;(2)利用ADAMS虛擬樣機仿真的方法對轉向機構的結構幾何參數和受力性能進行了驗證，結果與解析法計算一致，使用此法能夠提高設計效率;(3)使用優化工具以實際轉角與理想轉角的差異最小為優化目標函數進行了優化，結果表明:通過優化可以降低實際車輪偏角與理想偏角的差異，并且降低了轉向油缸力。
參考文獻
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作者:劉丹 鄧安田 陸進添 單位:三一帕爾菲格特種車輛裝備有限公司研究院