全掛車輪轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計

1、四川工業(yè)學(xué)院󰀁學(xué)報JournalofSichuanUniversityofScienceandTechnology文章編號:1000󰀁5722(2000)02󰀁0055󰀁03全掛車輪轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計黃海波(四川工業(yè)學(xué)院汽車與交通工程系󰀁四川成都610039)摘󰀁要:󰀁全掛車轉(zhuǎn)向裝置分為軸轉(zhuǎn)向和輪轉(zhuǎn)向兩種形式。由于輪轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向角度小,制造工藝復(fù)雜,成本高,一般較少應(yīng)用。但全掛車采用輪轉(zhuǎn)向裝置可降低車廂地板高度,且其機(jī)動性較軸轉(zhuǎn)向全掛列車好。推導(dǎo)了輪轉(zhuǎn)向傳動連桿機(jī)構(gòu)的解析關(guān)系式及優(yōu)化設(shè)計目

2、標(biāo)函數(shù)和約束條件,并給出了相應(yīng)算例。關(guān)鍵詞:󰀁全掛車;轉(zhuǎn)向裝置;優(yōu)化;設(shè)計󰀁󰀁中圖分類號:U463.41;U463.42文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B󰀁󰀁全掛車轉(zhuǎn)向裝置分為軸轉(zhuǎn)向和輪轉(zhuǎn)向兩種形式。輪轉(zhuǎn)向裝置由于轉(zhuǎn)向角度小、制造工藝復(fù)雜、成本高,一般較少應(yīng)用。但全掛車采用輪轉(zhuǎn)向裝置可降低車廂地板高度,這在車載設(shè)備高度與整車外形限制高度發(fā)生矛盾時,轉(zhuǎn)向裝置就顯示出了其優(yōu)越性;其次,配用輪轉(zhuǎn)向裝置的掛車,其轉(zhuǎn)向裝置的主要部件是轉(zhuǎn)向臂和轉(zhuǎn)向拉桿系統(tǒng),轉(zhuǎn)向中車軸相對于車架未轉(zhuǎn)動,車輪的轉(zhuǎn)向角受到限制,這種轉(zhuǎn)向裝置在曲線行駛時,減少了掛車相對

3、牽引車主軌跡的位移,使輪轉(zhuǎn)向全掛列車的機(jī)動性較軸轉(zhuǎn)向好。某廠接受了開發(fā)研制一專用機(jī)組全掛運輸工作車的訂貨。全掛車外形呈車廂式,其總體尺寸按鐵路和航空運輸要求,長󰀂寬󰀂高限制為7100mm󰀂2500mm󰀂3000mm。掛車整備質(zhì)量約11t,車內(nèi)最高設(shè)備約1600mm,為方便操作人員工作和休息,車廂內(nèi)空間高度要求不低于1750mm。經(jīng)分析,只有采用輪轉(zhuǎn)向裝置方可滿足上述基本設(shè)計要求。汽車列車機(jī)動性;但增大傳動比,將使掛車轉(zhuǎn)向時受到的側(cè)向力增大,使掛車發(fā)生側(cè)滑的可能性增大,致使汽車列車行駛穩(wěn)定性變壞。全掛車軸轉(zhuǎn)向裝置的角傳動比為1,輪轉(zhuǎn)

4、向裝置傳動比一般大于1,小于2。圖1所示是輪轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)示意簡圖。從圖1可以看出,轉(zhuǎn)圖1󰀁全掛車輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)示意圖向裝置實際上是由兩部分組成:一是常規(guī)的汽車前輪向梯型結(jié)構(gòu),二是將牽引桿的左右轉(zhuǎn)動傳送到左轉(zhuǎn)向臂產(chǎn)生左右偏轉(zhuǎn)的兩組四連桿機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向梯形的作用是保證掛車轉(zhuǎn)彎時,左、右側(cè)轉(zhuǎn)向輪都能繞一個瞬時轉(zhuǎn)向中心,在不同的圓周上做無滑動的純滾動。這部分機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計計算已較為成熟1,本文重點是通過建立兩組傳動四連桿機(jī)構(gòu)的解析關(guān)系式,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,以期達(dá)到特定的轉(zhuǎn)向角位移傳動要求。1󰀁輪轉(zhuǎn)向裝置總體布置全掛車轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的作用是將牽引臂(車轅桿)繞牽引銷的左、右擺動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)

5、向輪繞主銷的轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)全掛車轉(zhuǎn)向。由于受到車架的限制,轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角不能太大,但汽車列車為減小轉(zhuǎn)變半徑,牽引臂在拖曳掛車轉(zhuǎn)向行駛時希望能做較大幅度的轉(zhuǎn)動,因此需要給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)確定一個合適的傳動比。增大轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)角傳動比,有利于減小全掛列車最小轉(zhuǎn)彎直徑,提高收到日期:1997󰀁05󰀁282󰀁輪轉(zhuǎn)向四連桿傳動機(jī)構(gòu)解析關(guān)系式如圖2所示,輪轉(zhuǎn)向裝置傳動機(jī)構(gòu)從牽引桿到左作者簡介:黃海波(1954-),男,四川隆昌縣,四川工業(yè)學(xué)院汽車與交通工程系教授,碩士研究生,主要從事汽車研究。56四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報󰀁󰀁󰀁

6、83041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2000年其中,󰀂10是󰀂!1在󰀁1=0(即掛車直行狀態(tài))時的值,因而由上述各式可求得󰀂1。󰀂1=f1(󰀁1,l11,l12,l13)同樣,由圖2可求得󰀂2為:22l222+e2-l23󰀂2=arccos- 2-!22e2l22輪主銷之間實際上

7、是由兩個雙搖桿機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)汽車列車轉(zhuǎn)向需要,牽引桿應(yīng)能繞支點O1做左右相等最大偏轉(zhuǎn)角󰀁max的轉(zhuǎn)動。但為保證轉(zhuǎn)彎時左、右側(cè)轉(zhuǎn)向均能實現(xiàn)無滑轉(zhuǎn)的純滾動,轉(zhuǎn)向輪處于內(nèi)輪或外輪時的最大偏轉(zhuǎn)角是不同的。因此兩組雙搖桿機(jī)構(gòu)在實現(xiàn)角位移的傳遞過程中,為使轉(zhuǎn)向平穩(wěn)連續(xù),其角位移傳遞應(yīng)滿足下面的期望要求:(2)e2=d!1)2+l21-2d2l21cos(!2-󰀁22d22+e2-l212=arccos2d2e2d2=S2+L2L2S2󰀁!2=󰀁2+󰀁20!1=arctg其中,󰀁上是在󰀂2=0(掛

8、車直行)時󰀁!2的值,此時:20實際e20=d2+l22-2d2l22cos!2d2-l22cos!2e2022l221+e20-l23󰀁20=arccos- 20-!22e20l21因而:20=arccos󰀂2=f2(󰀁2,l21,l22,l23)圖2󰀁雙搖桿機(jī)構(gòu)示意圖(3)由圖2可注意到,搖桿l12和l21是固連于一體的,即(1)󰀂1=󰀁2,因而將(2)式代入(3)式,即可得實現(xiàn)函數(shù)為:󰀂2=f2(󰀁1,l11,l12,l13,l21,l22,l2

9、3)(4)設(shè)l11和l21是由機(jī)構(gòu)設(shè)計中空間位置決定的單位長度,則尋優(yōu)設(shè)計變量為:X=l12,l13,l22,l23#T=x1,x2,x3,x4#T優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)為:󰀁p2󰀁1󰀁0 󰀁1 󰀁1max式中:󰀂2為左前輪轉(zhuǎn)向角,以O(shè)3Y3為基準(zhǔn),右方轉(zhuǎn)角為正,左方轉(zhuǎn)角為負(fù);󰀁1為牽引桿偏轉(zhuǎn)角,以O(shè)1X1為基準(zhǔn),右方轉(zhuǎn)角為正,左方轉(zhuǎn)角為負(fù);p2、p1為分別為在󰀁1正、負(fù)轉(zhuǎn)角范圍的平均角傳動比。從圖1可見,掛車是處于直線行駛狀態(tài),搖桿機(jī)構(gòu)處于初始位置。顯然,當(dāng)𘀀

10、1;1=0時,󰀂2=0。為探討在轉(zhuǎn)彎過程中󰀂2與󰀁1之間的實際函數(shù)關(guān)系,應(yīng)先求出圖2所示的兩組搖桿機(jī)構(gòu)的󰀂1與󰀁1及󰀂2與󰀁2的函數(shù)式,然后將󰀂1與󰀁2的關(guān)系式作為連接條件,將兩個雙搖桿機(jī)構(gòu)的關(guān)系式進(jìn)行耦合,即得傳動機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)函數(shù)。由圖2可求得下列參數(shù):22l212+e1-l13󰀂!1=arccos- 1-!12e1l12󰀂2=ft(󰀁1)=p1󰀁1󰀁-󰀁1

11、max 󰀁1 0minf(x)=-(󰀁1i)%(fi(󰀁1i)-f2(󰀁1i,X)21max-󰀁1max(󰀁1i)1max其中,加權(quán)因子(󰀁1)為:1󰀂5󰀁󰀁0<|󰀁1| 15&(󰀁1)=1󰀂0󰀁󰀁15&<|󰀁1| 30&0󰀂5󰀁󰀁30&<|&#

12、983041;1| 45&雙搖桿機(jī)構(gòu)的基本約束條件可根據(jù)下列傳動特性要求提出:a󰀂在初始工作位置,l12與l13和l23之間的傳動角應(yīng)接近正交,即:|󰀂10| 10&󰀁󰀁󰀁|󰀁20| 10&b󰀂在各工作極限位置,最小傳動角應(yīng)大于40&。c󰀂考慮到雙搖桿機(jī)構(gòu)中若曲柄、搖桿臂過短,會,l11l21、e1=d1+l11-2d1l11cos(!1-󰀁1)22d21+e1-l111=arccos2d1e1d1=S1+L11!1=a

13、rctgL11第19卷第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁黃海波:全掛車輪轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計x1、x2的下限設(shè)置約束。經(jīng)整理,可得約束方程:2221012g1(x)=|arccos-!1- &10| 102e10x122e220+l21-x4g2(x)=|arccos-!2- &20| 102e10l21222g3(x)=x21+x2-1󰀂53x1x2-d1-l1157󰀁󰀁表2為兩組四連桿

14、傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計輸入的基本參數(shù),其符號意義見圖2,仍采用復(fù)合形法四維搜索尋優(yōu)。表3為在表2初始參數(shù)基礎(chǔ)上的優(yōu)化計算結(jié)果。表2󰀁傳動機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計輸入基本參數(shù)L1(mm)400S1(mm)450L2(mm)800S2(mm)420L11(mm)200L21(mm)2001max-󰀂2max+󰀂2max(&)(&)(&)45-37󰀂5+30󰀂2󰀂2d1l11󰀂cos(!1-󰀁1max) 0g4(x)=-x21-x22-1󰀂53x1x

15、2+d21+l211表3󰀁優(yōu)化計算結(jié)果x1(mm)238x2(mm)446x3(mm)212x4(mm)765󰀂10(&)-1󰀂2󰀁20(&)minf(x)(&)-9󰀂90󰀂92󰀂2d1l11󰀂cos(!1-(-󰀁1max) 0222g5(x)=x23+x4-1󰀂53x3x4-d2-l21󰀂2d2l21󰀂cos(!2-󰀁2max) 0222g6(x)=-x23-x4

16、-1󰀂53x3x4+d2+l21󰀂2d2l21󰀂cos(!2-(-󰀁2max) 0桿件尺度約束略。3󰀁計算實例以前面所述廂式全掛車為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計計算。優(yōu)化方法采用的約束問題最優(yōu)化方法中的復(fù)合形法,編程上機(jī)運算求解。轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)函數(shù)和約束方程參見文獻(xiàn)1,表1列出了求轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化解輸入的基本參量和優(yōu)化計算結(jié)果。表1󰀁求轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化解輸入的基本參量和優(yōu)化計算結(jié)果掛車基本參數(shù)優(yōu)化計算結(jié)果掛車最小轉(zhuǎn)彎半徑(mm)軸距(mm)兩主銷線與地相交距(mm)主銷偏移距(mm)梯形臂長(mm)梯形底角(&am

17、p;)外輪最大偏轉(zhuǎn)角+󰀂2max(&)內(nèi)輪最大偏轉(zhuǎn)角-󰀂2max(&)minf(x)(%)8000400018475020377󰀂530󰀂237󰀂52󰀂319961張洪欣主編󰀂汽車設(shè)計M󰀂北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19892劉維信等編󰀂機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計M󰀂北京:清華大學(xué)出版社,圖3󰀁期望轉(zhuǎn)向特性與實際轉(zhuǎn)向特性曲線󰀁󰀁表3所列計算結(jié)果表明,經(jīng)過四連桿構(gòu)件長度優(yōu)化選擇,在45&

18、;轉(zhuǎn)向范圍內(nèi),其角傳動加權(quán)均方誤差為0󰀂92&。圖3繪出了期望函數(shù)(1)式和實現(xiàn)函數(shù)(4)式兩條曲線,從圖中可以看出,實現(xiàn)函數(shù)曲線對期望函數(shù)曲線的偏差很小,而且偏差是正負(fù)交替,因而達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計目的。參󰀁考󰀁文󰀁獻(xiàn)%YL%DesignofWheelSteeringMechanismforFullTrailerHUANGHai󰀁bo(Dept󰀂ofAutomobileandTrafficEngineeringofSichuanUniversityofScienceandTechnology󰀁Chengdu610039)Abstract:Twotypesofsteeringmechanismforfulltrailersareaxlesteeringandwheelsteering󰀂Becauseoflimitedturningangelandhighercostduetocomplexmanufacturingprocesses,wheelsteeringisseldomused󰀂Bu