基于adams的叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車(chē)的普及在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都越來(lái)越流行。文獻(xiàn)針對(duì)叉車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程重復(fù)性勞動(dòng)量大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)和成本高的缺點(diǎn),本文基于ADAMS虛擬樣機(jī)軟件對(duì)叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化建模,并對(duì)轉(zhuǎn)向特性參數(shù)和相關(guān)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及約束進(jìn)行闡述和設(shè)定,分析叉車(chē)的轉(zhuǎn)向性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高叉車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)性能,降低叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期和成本,從而提升叉車(chē)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。1x-y功能集成基于ADAMS的平衡重式叉車(chē)建模主要采用ADAMS/View模塊,ADAMS/View是AD-AMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一,采用以用戶(hù)為中心的交互式圖形環(huán)境,將圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動(dòng)畫(huà)顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、X-Y曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。ADAMS/View提供了豐富的位移函數(shù)、速度函數(shù)、加速度函數(shù)、接觸函數(shù)、樣條函數(shù)、力/力矩函數(shù)、合力/力矩函數(shù)、數(shù)據(jù)元函數(shù)、若干用戶(hù)子程序函數(shù)以及常量和變量等,便于完成建模工作。2油缸式全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)平衡重式叉車(chē)轉(zhuǎn)向基本采用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),近年來(lái)在叉車(chē)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的是橫置油缸式全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)橫置油缸式全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要是由轉(zhuǎn)向橋體、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、連桿和轉(zhuǎn)向液壓缸等組成的6連桿機(jī)構(gòu),其中轉(zhuǎn)向橋體和轉(zhuǎn)向油缸固定。通過(guò)油缸活塞的左右移動(dòng)帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂使車(chē)輪左右擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。2.1轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部件建模通過(guò)ADAMS/View零件庫(kù)的連桿(Link)創(chuàng)建的轉(zhuǎn)向橋體寬為60mm、高為30mm,選擇Point采用相同的方法創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)臂、連桿和轉(zhuǎn)向液壓缸,另一側(cè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)建立方法相同,建立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)部件模型如圖2所示。2.2施加旋轉(zhuǎn)副由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以得到叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中共有6個(gè)旋轉(zhuǎn)副。其中,轉(zhuǎn)向橋體與地面之間施加固定副,轉(zhuǎn)向橋體分別與左右轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間施加旋轉(zhuǎn)副,拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間施加旋轉(zhuǎn)副,轉(zhuǎn)向油缸與地面之間施加移動(dòng)副,輪胎與轉(zhuǎn)向節(jié)之間施加旋轉(zhuǎn)副叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向是通過(guò)橫置轉(zhuǎn)向油缸的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,具體步驟如下:當(dāng)駕駛員想轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí),橫置轉(zhuǎn)向油缸向左移動(dòng),油缸活塞的移動(dòng)帶動(dòng)連桿的移動(dòng),從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向擺臂向左移動(dòng),由于轉(zhuǎn)向橋體固定,因此帶動(dòng)輪胎向左轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn),相同的原理即可實(shí)現(xiàn)叉車(chē)的左轉(zhuǎn)。3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型優(yōu)化為使建立的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型盡可能滿(mǎn)足各車(chē)輪,在轉(zhuǎn)向過(guò)程中車(chē)輪軸線應(yīng)相交于一點(diǎn),車(chē)輪與地面之間均作純滾動(dòng)的理論設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)建立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以減小轉(zhuǎn)向時(shí)地面對(duì)輪胎的磨損,提高叉車(chē)的轉(zhuǎn)向性能。采用ADAMS/View提供的參數(shù)化坐標(biāo)建模方法進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.1車(chē)輪作純滾動(dòng)軸承根據(jù)叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論研究和實(shí)際需要,叉車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí),為保證車(chē)輪作純滾動(dòng),需滿(mǎn)足:其中,α為外轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角;β為內(nèi)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角;M為主銷(xiāo)間距;B為輪距。以β作為測(cè)量的車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角,α叉車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)角誤差為:3.2左輪轉(zhuǎn)向誤差對(duì)主銷(xiāo)距M=810.0mm、節(jié)臂初始角θ=58°、轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)r=107mm、液壓缸偏距s=56.70mm和連桿長(zhǎng)l=95.2mm的叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試,得到右輪轉(zhuǎn)向時(shí)左輪轉(zhuǎn)向的理想與實(shí)際曲線,如圖4所示,轉(zhuǎn)向誤差曲線如圖5所示。從圖4可以看出,在初步的轉(zhuǎn)向過(guò)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(zhuǎn)角的增大誤差有變大的趨勢(shì),因而為提高轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向性能,有必要對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.3參數(shù)化點(diǎn)方式建模采用參數(shù)化點(diǎn)的方式建模時(shí),參數(shù)化點(diǎn)主要提供多體系統(tǒng)模型中各個(gè)對(duì)象(部件、約束、標(biāo)架、力、力元等)的位置坐標(biāo),修改對(duì)象通過(guò)修改這些參數(shù)化點(diǎn)來(lái)完成。因此在參數(shù)化點(diǎn)方式建模時(shí),參數(shù)化點(diǎn)是最基本的要素。參數(shù)化點(diǎn)方式建模的步驟為確立參數(shù)化點(diǎn)、創(chuàng)建參數(shù)化點(diǎn)、創(chuàng)建模型部件、創(chuàng)建聯(lián)接關(guān)系以及創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)、力或力元。以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的4個(gè)獨(dú)立參數(shù)χ=(r,θ,s,l)作為設(shè)計(jì)變量,r為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng),θ為節(jié)臂初始角,s為液壓缸偏距,l為連桿長(zhǎng),對(duì)各設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化,完成模型的參數(shù)化建模。3.4叉車(chē)主銷(xiāo)距控制函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的是保證車(chē)輪轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輛做純滾動(dòng)。以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向輪仿真轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之間的誤差最小為目標(biāo)函數(shù),以外輪轉(zhuǎn)角α為參數(shù)、β為輸入角度,以叉車(chē)的主銷(xiāo)距M和輪距L作為已知條件,目標(biāo)函數(shù)可表示為:由于在ADAMS中無(wú)法直接定義積分運(yùn)算,但是存在求和函數(shù)sum,該函數(shù)的具體意義為對(duì)目標(biāo)函數(shù)在仿真的過(guò)程中每個(gè)step所得的結(jié)果求和。為了獲得與該函數(shù)等價(jià)的替代函數(shù),必須把驅(qū)動(dòng)定義在α角所在定點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)副,即表示函數(shù)是對(duì)α的每次變化所得函數(shù)值的求和。最后得到目標(biāo)函數(shù)為:其中,.chache.ZXJL為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)左輪的實(shí)際值;.chache.LXJL為轉(zhuǎn)向系左輪的理想值,表達(dá)為:3.5優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)置最優(yōu)值區(qū)考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求,空間位置的布置、結(jié)構(gòu)等因素,初步給出下列限制條件:為減小仿真試驗(yàn)的計(jì)算量,設(shè)置仿真Defaultlevel為2的粗略試驗(yàn),得到最優(yōu)值所在大致范圍后,再縮小限制范圍,設(shè)置更高精度的試驗(yàn)等級(jí),以獲得更精確的最優(yōu)解。4優(yōu)化結(jié)果和分析利用ADAMS/View所提供的試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法,進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析,通過(guò)多次試驗(yàn)可得到最終的優(yōu)化結(jié)果。4.1tleg-s試驗(yàn)設(shè)計(jì)Designevaluationtools參數(shù)設(shè)置如圖6所示。在圖6中DefaultLevels文本框中輸入變量范圍的等分水平數(shù)。在開(kāi)始試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),一般設(shè)置成3或4,以初步確定4個(gè)變量的最優(yōu)值所處的大概范圍,然后縮小范圍逐步試驗(yàn)。同樣可以先試驗(yàn)1個(gè)變量來(lái)確定最優(yōu)值的大概范圍,然后進(jìn)行4個(gè)變量的同時(shí)優(yōu)化,極大地縮減計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量和運(yùn)算時(shí)間。4.2目標(biāo)函數(shù)的驗(yàn)證結(jié)果對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析,并綜合考慮結(jié)構(gòu)安排和空間位置的限制以及轉(zhuǎn)向系所要求的最大轉(zhuǎn)角,取得最優(yōu)值為:r=88.92mm,θ=75.21°,s=189.85mm,l=56.59mm。目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。優(yōu)化后轉(zhuǎn)角在50°內(nèi)α的理論值與仿真值的誤差最大值為2.84°,累計(jì)誤差的最大值為18.89°,平均誤差為0.62°。對(duì)比優(yōu)化前的平均累計(jì)誤差1.03°,說(shuō)明叉車(chē)的設(shè)計(jì)值接近優(yōu)化值,滿(mǎn)足叉車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。5車(chē)載充放電約束和仿真模型在叉車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)導(dǎo)入叉車(chē)模型,建立叉車(chē)的整車(chē)模型。為了便于仿真,在不影響結(jié)果的前提下,將叉車(chē)整車(chē)質(zhì)量抽象為質(zhì)心點(diǎn),即由同樣質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的圓球代替。修改約束,即轉(zhuǎn)向橋體與底盤(pán)間的約束為固定副、轉(zhuǎn)向油缸與底盤(pán)間的約束為移動(dòng)副;添加約束,即驅(qū)動(dòng)橋體與底盤(pán)間的約束為固定副、2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)橋間為旋轉(zhuǎn)副;并分別添加施于輪胎上的力矩,建立的整車(chē)模型如圖8所示。進(jìn)行空載工況下叉車(chē)最小轉(zhuǎn)彎半徑的運(yùn)行狀態(tài),并逐步提高車(chē)速,通過(guò)對(duì)各輪壓地力的情況來(lái)反映叉車(chē)穩(wěn)定性仿真,各車(chē)輪壓地力和叉車(chē)橫擺角速度曲線如圖9所示。由圖9a可知,在速度逐漸增加時(shí),叉車(chē)后輪壓地力僅略有下降,其主要原因?yàn)?叉車(chē)后橋?yàn)殂q接結(jié)構(gòu),叉車(chē)隨著速度增加,車(chē)體將先發(fā)生傾斜,造成重心略微內(nèi)移,因此外側(cè)后輪壓地力并無(wú)明顯下降。但當(dāng)車(chē)身傾斜到一定角度時(shí),限位擋塊與后橋接觸,造成車(chē)身不再傾斜移動(dòng),叉車(chē)隨著車(chē)速逐步提升后,外側(cè)后輪壓地力形成線性降低,直至外側(cè)車(chē)輪壓地力為0,叉車(chē)完全側(cè)翻。由圖9b可知,隨著轉(zhuǎn)向速度逐漸增大,叉車(chē)橫擺角速度也隨之增大,當(dāng)橫擺角速度增大到25.4(°)/s時(shí),叉車(chē)可能發(fā)生測(cè)滑或者甩尾等危險(xiǎn)工