苗國華，崔元福，王永

(山東臨工工程機械有限公司技術中心，山東臨沂 276023)

基于CATIA的平地機前橋優(yōu)化設計與仿真

苗國華，崔元福，王永

(山東臨工工程機械有限公司技術中心，山東臨沂 276023)

為優(yōu)化平地機前橋復合運動空間結構設計，分析前橋結構及各部件運動副關系，抽象出前橋機構模型。采用CATIA的數(shù)字樣機(Digital Mock-Up，DMU)模塊建立平地機前橋運動學模型，通過對模型施加符合運動方式的運動副和驅(qū)動命令實現(xiàn)運動學仿真，獲取內(nèi)、外側車輪轉(zhuǎn)向角度關系及前橋復合運動時轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)變化關系，為前橋油缸參數(shù)確定提供基礎。同時創(chuàng)建前橋輪胎等關鍵部件的包絡體，并進行動態(tài)間隙分析，為前橋與中松附具等空間結構設計提供參考和依據(jù)。

平地機前橋；運動副；DMU模塊；運動仿真；包絡體

平地機是一種以鏟刀為主、多種附具可選，主要用于大面積平整場地、修路、刮坡、挖溝、除雪、松土、推土、開荒等工況的作業(yè)機械。為減小作業(yè)半徑、擴大作業(yè)范圍和滿足蟹行等工況需求，平地機一般設有鉸接轉(zhuǎn)向和前輪轉(zhuǎn)向兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在正常工作時，使用前輪進行轉(zhuǎn)向，而在蟹行和斜坡作業(yè)等工況時，使用前輪+鉸接復合轉(zhuǎn)向。平地機在作業(yè)時為抵消物料對鏟刀的側移力，提高輪胎的附著力以及在斜坡作業(yè)時提高整機穩(wěn)定性等，前橋除含有阿克曼轉(zhuǎn)向梯形機構外，還設有前輪傾斜機構和前橋擺動機構[1-3]。文獻[4]對平地機前輪主銷后傾、內(nèi)傾等定位參數(shù)進行分析研究，文獻[5-6]對轉(zhuǎn)向梯形機構設計進行研究，但都沒有涉及到平地機前橋傾斜、擺動及轉(zhuǎn)向復合運動結構優(yōu)化設計研究。本文從機構分析入手，基于CATIA的DMU模塊實現(xiàn)前橋運動仿真，獲取前橋復合運動空間參數(shù)變化并對其部件優(yōu)化，有效避免設計干涉情況，減少后續(xù)工程變更成本和提高設計效率。

1 前橋機構模型

平地機前橋如圖1所示，主要由左、右轉(zhuǎn)向節(jié)，左、右轉(zhuǎn)向架及輪轂，轉(zhuǎn)向油缸，傾斜拉桿，傾斜油缸，前橋架，轉(zhuǎn)向拉桿等組成[7-9]。

1—左轉(zhuǎn)向架及輪轂；2—左轉(zhuǎn)向節(jié)；3—傾斜油缸；4—轉(zhuǎn)向油缸；5—右轉(zhuǎn)向架及輪轂；6—傾斜拉桿；7—轉(zhuǎn)向拉桿；8—前橋架;9—擺動軸套圖1 平地機前橋基本結構

前橋架通過銷軸與前車架連接，前橋可繞銷軸擺動一定角度。左、右轉(zhuǎn)向節(jié)分別通過橫向的銷軸與前橋架兩端鉸接，傾斜拉桿兩端分別與左、右轉(zhuǎn)向節(jié)銷軸連接，傾斜油缸活塞桿端與左轉(zhuǎn)向節(jié)通過銷軸連接，傾斜油缸缸底端與前橋架銷軸連接。左、右轉(zhuǎn)向架及輪轂通過豎直的銷軸分別與左、右轉(zhuǎn)向節(jié)鉸接；轉(zhuǎn)向拉桿兩端分別與左、右轉(zhuǎn)向架及輪轂球鉸連接。左、右轉(zhuǎn)向油缸分別與前橋架和左、右轉(zhuǎn)向架及輪轂連接。傾斜拉桿，左、右轉(zhuǎn)向節(jié)與前橋架構成平地機前橋傾斜機構，傾斜油缸伸縮帶動左轉(zhuǎn)向節(jié)傾斜，并通過傾斜拉桿聯(lián)動右轉(zhuǎn)向節(jié)傾斜，實現(xiàn)前橋輪胎的傾斜控制。左、右轉(zhuǎn)向架，輪轂及轉(zhuǎn)向拉桿與前橋架構成梯形轉(zhuǎn)向機構；轉(zhuǎn)向油缸伸縮帶動轉(zhuǎn)向架及輪轂繞轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動；左、右轉(zhuǎn)向架及輪轂通過轉(zhuǎn)向拉桿實現(xiàn)聯(lián)動，從而實現(xiàn)前橋輪胎的轉(zhuǎn)向。根據(jù)平地機前橋各部件的配合關系，抽象出平地機前橋各部件運動副關系圖[10]，如圖2所示。

圖2 前橋部件運動副關系圖

2 前橋仿真模型

若不考慮前橋傾斜與擺動的影響，平地機前橋轉(zhuǎn)向機構等效簡化為輪式整體式鉸接轉(zhuǎn)向機構。參考文獻[2-3]方法，根據(jù)平地機總體設計軸距、輪距以及轉(zhuǎn)向角度等技術要求，應用CATIA的Part Design模塊初步完成平地機前橋轉(zhuǎn)向結構參數(shù)化三維建模和方案設計[10-13]。根據(jù)圖2前橋部件運動副關系圖，將前橋三維模型切換到CATIA的DMU模塊中施加相應的運動副。考慮到平地機前橋總體設計，僅能根據(jù)平地機總體參數(shù)要求，確定前輪轉(zhuǎn)向角度、前橋擺動角度以及前輪傾斜角度參數(shù)要求，左、右轉(zhuǎn)向油缸與傾斜油缸的參數(shù)還無法確定，因此簡化前橋運動仿真模型(不包含油缸模型)，通過前橋的仿真分析確定左、右轉(zhuǎn)向油缸與傾斜油缸等參數(shù)。

在簡化的前橋運動仿真模型中，前車架定義為機構的固定件，根據(jù)平地機前橋總體設計要求，前橋擺動±16°，前輪轉(zhuǎn)向±50°，前輪傾斜±18°，因此分別添加前橋架旋轉(zhuǎn)副、左轉(zhuǎn)向節(jié)旋轉(zhuǎn)副、左轉(zhuǎn)向架及輪轂旋轉(zhuǎn)副的3個驅(qū)動角度命令[14-15]，如圖3所示。按照部件運動副關系將結合類型約束好后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)自由度不為0，DMU仿真系統(tǒng)不會提示可以模擬機械裝置。這是由于轉(zhuǎn)向拉桿與左、右轉(zhuǎn)向架及輪轂的兩個球頭結合不能約束轉(zhuǎn)向拉桿繞本身軸線的自由度，因此不能模擬，需將轉(zhuǎn)向拉桿一端球頭球鉸副通過添加一萬向節(jié)，將球頭約束轉(zhuǎn)換為十字軸與萬向節(jié)前后節(jié)叉之間的兩個旋轉(zhuǎn)結合，再將前節(jié)叉與左(右)轉(zhuǎn)向架及輪轂固聯(lián)，將后節(jié)叉與轉(zhuǎn)向拉桿固聯(lián)，從而約束轉(zhuǎn)向拉桿繞本身軸線的轉(zhuǎn)動自由度。十字軸的中心就是轉(zhuǎn)向拉桿一端球頭的中心。簡化前橋仿真模型如圖4所示。

圖3 驅(qū)動命令 圖4 前橋仿真模型

3 仿真分析

圖5 內(nèi)側車輪與外側車輪轉(zhuǎn)向角度關系圖

在DMU模塊中，應用“使用法則曲線進行模擬”命令，并在選項卡中選中“激活傳感器”選項[4]，分別激活左轉(zhuǎn)向節(jié)與左轉(zhuǎn)向架及輪轂、右轉(zhuǎn)向節(jié)與右轉(zhuǎn)向架及輪轂角度傳感器，用于記錄實際前橋梯形轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)側轉(zhuǎn)向輪與外側轉(zhuǎn)向輪的關系，利用“文件”輸出命令輸出相關數(shù)據(jù)，同時激活“碰撞檢測(停止)”，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架及輪轂與轉(zhuǎn)向節(jié)碰撞限位時停止仿真[15]。轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)側車輪與外側車輪轉(zhuǎn)向角度關系如圖5所示(以左車輪左轉(zhuǎn)向為例)。

圖6 前橋復合運動時轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)變化

在理想狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)、外側轉(zhuǎn)向輪都處于純滾動狀態(tài)，但實際轉(zhuǎn)向梯形機構都存在一定偏差。分析圖5仿真數(shù)據(jù)可知，在常用轉(zhuǎn)向角度為0～35°時，外側車輪理想轉(zhuǎn)向角度與實際轉(zhuǎn)向角度誤差較小；轉(zhuǎn)向角度為35～50°時，外側車輪理想轉(zhuǎn)向角度與實際轉(zhuǎn)向角度綜合誤差變大，考慮到前橋復合運動與工作裝置等空間布局要求，不影響綜合性能，表明前橋轉(zhuǎn)向梯形機構滿足設計要求。在DMU模塊中，應用“測量間距”命令建立前橋架轉(zhuǎn)向油缸支點與轉(zhuǎn)向架及輪轂轉(zhuǎn)向油缸支點之間的間距命令，使用“法則曲線進行模擬”命令[15]，并激活所建測量間距傳感器，分別記錄前輪傾斜、前輪轉(zhuǎn)向、前輪傾斜+前輪轉(zhuǎn)向復合動作3種工況下轉(zhuǎn)向油缸兩支點空間距離數(shù)據(jù)，各工況下轉(zhuǎn)向油缸支點距離變化如圖6所示，車輪轉(zhuǎn)向角度以中間為0°，左轉(zhuǎn)向為正，右轉(zhuǎn)向為負。分析圖6仿真數(shù)據(jù)可知，僅前輪轉(zhuǎn)向工況時，轉(zhuǎn)向油缸支點最大間距為941.0 mm，最小間距為666.5 mm；在前輪右傾斜極限狀態(tài)且前輪轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向油缸支點最大間距為941.0 mm，最小間距為678.0 mm；在前輪左傾斜極限狀態(tài)且前輪轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向油缸支點最大間距為921.0 mm，最小間距為653.0 mm；因為平地機前橋在工作中存在前輪傾斜、前輪轉(zhuǎn)向與前橋擺動等復合工況，所以轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)要滿足上述各種工況需求，因此根據(jù)仿真分析數(shù)據(jù)和考慮預留轉(zhuǎn)向油缸安全量，最終確定轉(zhuǎn)向油缸最小安裝距為648.0 mm，最大安裝距為946.0 mm。

在DMU模塊中，應用“模擬”命令，分別生成前輪轉(zhuǎn)向(以左側車輛向左轉(zhuǎn)向為例)、前輪傾斜+前輪轉(zhuǎn)向復合動作(以左側車輛向左傾斜再向左轉(zhuǎn)向為例)與前橋擺動+前輪傾斜+前輪轉(zhuǎn)向復合動作3種工況的模擬與重放，應用“掃瓊包絡體”命令形成3種狀態(tài)時前橋關鍵部件的包絡體[16-19]，如圖7所示。

圖7 前橋各種工作狀態(tài)時輪胎等包絡體檢查

分析前橋各種工況時輪胎包絡體的仿真結果可知：在直線松弛和平整工況時，前輪僅左、右傾斜時中松附具在切削與提升過程中與前輪空間較大；在松弛工況且前輪存在左、右轉(zhuǎn)向功能時中松附具在切削與提升過程中與前輪最小空間極限為16.5 mm；在前輪右傾斜到極限狀態(tài)且同時存在左、右轉(zhuǎn)向工況時中松附具在切削與提升過程中與前輪最小空間極限為15 mm；在前輪左傾斜到極限狀態(tài)且同時存在左、右轉(zhuǎn)向工況時中松附具在切削與提升過程中與前輪最小空間極限為12 mm。平地機在選配中松附具轉(zhuǎn)場時中松附具提升到最大離地間隙狀態(tài)以保證平地機最大通過能力。因轉(zhuǎn)場時道路和農(nóng)田的多樣性，需充分考慮平地機前輪最大極限狀態(tài)時與中松附具空間結構性，分析仿真數(shù)據(jù)可知，在前橋擺動到16°、前輪右傾斜到18°和前輪左、右轉(zhuǎn)向到極限狀態(tài)時，前輪包絡體與中松附具提升到最大離地間隙狀態(tài)時最小空間間隙達到80.0 mm。

在仿真分析中，輪胎模型建模是以某型號平地機容許所選配最大規(guī)格輪胎而建立。因此綜合考慮上述分析結果，在各種極限工況狀態(tài)時前輪包絡體與中松附具包絡體最小極限滿足設計空間要求[20-21]。若分析方案包絡體出現(xiàn)干涉情況，可以切換到CATIA零件模塊，對方案三維模型進行參數(shù)化修改，快速驗證方案可行性，提高設計效率。

4 結語

采用CATIA的DMU模塊對前橋模型進行仿真分析，獲取了前橋復合運動時左、右車輪轉(zhuǎn)向角度關系、轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)的變化關系和輪胎等部件的包絡體，通過仿真數(shù)據(jù)分析為前橋空間結構設計和空間驗證優(yōu)化提供參考和基礎，提高設計效率，對縮短開發(fā)周期、減少后期設計更改以及降低開發(fā)成本等方面有重要意義。但本模型沒有對前橋復合運動工況的動力學進行分析，后續(xù)進一步研究前橋動力學特性，為平地機前橋的強度分析和結構拓撲優(yōu)化提供基礎。

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(責任編輯：郎偉鋒)

Design and Simulation Analysis of Grader Front Axle Based on CATIA

MIAOGuohua，CUIYuanfu,WANGYong

(TechnicalCenter,ShandongLingongConstructionMachineryCo.,Ltd.,Linyi,276023,China)

In order to optimize the spatial design of grader front axle,a model of front axle is extracted accordingly to analyze its structure and spatial kinematic pairs.A front axle kinematics model is built with the software CATIA DMU (Digital Mock-Up)module.The kinematic simulation is performed based on the prototype model,applying reasonable kinematic pairs and driving commands.Through the motion simulations,the study acquires the steering angle relations of inner and outside wheels.The steer cylinder parameter relations on complex space movement are also acquired.These provide the basic data for cylinder parameters.The enveloping solid for tire key parts is also established and the dynamic gap is analyzed,which offers reference and basis for the complex front axle and middle scarifier designs.

grader front axle; spatial kinematic pairs; DMU module; kinematics simulation; enveloping solid

2016-04-29

苗國華(1982—)，男，山東沂水人，工學碩士，工程師，主要研究方向為平地機創(chuàng)新設計，E-mail:guohua.miao@sdlg.com.cn.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.011

TU623.6

A

1672-0032(2016)04-0069-06