秦利，李帥，李泳嶧

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076)

0 引言

無(wú)論是輪式車(chē)輛上的空間梯形還是普通架車(chē)上應(yīng)用的平面梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，基本設(shè)計(jì)思路是實(shí)現(xiàn)阿克曼轉(zhuǎn)向。但是由于梯形機(jī)構(gòu)自身的限制，其實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角之間存在一定的偏差[1]。且由于車(chē)輪是彈性體，在行進(jìn)時(shí)存在跳動(dòng)等因素，這也使實(shí)際轉(zhuǎn)向特性與阿克曼理論值誤差加大[2]，即不可避免地會(huì)使車(chē)輪磨損加劇和行走阻力增加，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向困難等不良后果。本文通過(guò)Adams對(duì)某架車(chē)梯形轉(zhuǎn)向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)定量分析，提出機(jī)構(gòu)改進(jìn)方法并進(jìn)行驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)具備轉(zhuǎn)向功能的輔助設(shè)備提供參考。

1 設(shè)備原理與問(wèn)題介紹

某架車(chē)結(jié)構(gòu)組成如圖 1所示。

圖1 具有梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的架車(chē)組成圖

轉(zhuǎn)向原理：梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為一個(gè)等腰梯形，即圖2所示的梯形ABCD。在牽引力的作用下，支臂繞支臂座的O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)左右兩拉桿端的B、D、E、F 4點(diǎn)產(chǎn)生位移，最終通過(guò)轉(zhuǎn)臂軸使兩車(chē)輪分別繞A、C 2點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)架車(chē)的轉(zhuǎn)向。架車(chē)在滿(mǎn)載狀態(tài)下進(jìn)行人力牽引時(shí)，操作費(fèi)力不易實(shí)現(xiàn)；機(jī)動(dòng)牽引時(shí)，過(guò)小轉(zhuǎn)彎半徑易使梯形轉(zhuǎn)向發(fā)生拉桿損壞。

圖2 梯形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向原理圖

2 Adams運(yùn)動(dòng)模型的建立與前處理

為驗(yàn)證此平面梯形機(jī)構(gòu)在架車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)存在的車(chē)輪側(cè)滑現(xiàn)象，并在其基礎(chǔ)上獲得滿(mǎn)載狀態(tài)架車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的行進(jìn)阻力，以驗(yàn)證前文所述操作費(fèi)力的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

從三維建模軟件導(dǎo)入含梯形機(jī)構(gòu)的架車(chē)模型至Adams中，做前處理如下：

1) 在圖2中所示各回轉(zhuǎn)點(diǎn)施加轉(zhuǎn)動(dòng)副；

2) 在支臂與支臂座轉(zhuǎn)動(dòng)副處施加隨時(shí)間變化的角速度(架車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí))；

3) 車(chē)輪與地面設(shè)置接觸；

4) 車(chē)架上表面施加負(fù)載；

5) 在牽引臂處施加牽引力或在兩前車(chē)輪處施加行進(jìn)角速度。

上述前處理的初始參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表1，效果圖如圖3所示。

圖3 Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)前處理設(shè)置圖

序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置備注1附加牽引力(空載狀態(tài))200 N(方向與牽引臂平行)作用在牽引臂上(車(chē)輪未施加角速度)2兩前車(chē)輪行進(jìn)角速度200(°/s)牽引臂上無(wú)附加牽引力3負(fù)載1 500 kg作用在架體上表面4整車(chē)轉(zhuǎn)向速度前10 s以-2(°/s)的速度轉(zhuǎn)向后20 s以2(°/s)的速度轉(zhuǎn)向2.0d*IF(time-10:-1,1,1)5車(chē)輪與地面間接觸靜、動(dòng)摩擦系數(shù):0.3、0.1Force Exponent:2.56仿真時(shí)長(zhǎng)與步數(shù)30 s、500/

2.1 車(chē)輪無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)無(wú)側(cè)滑的仿真驗(yàn)證

架車(chē)在無(wú)負(fù)載工況下，按表1參數(shù)(施加附加牽引力)進(jìn)行設(shè)置，得到的與梯形機(jī)構(gòu)相連接的兩前輪轉(zhuǎn)向角如圖4所示。

從圖4中可以看出，左右輪轉(zhuǎn)向角差值很小，最大差值在±0.3°范圍內(nèi)，基于此可知：|cotαL-cotαR|≈0≠B/L=2 478/3 739=0.66。式中：B為左右車(chē)輪輪距，L為前后車(chē)輪軸距，αL、αR分別為左右車(chē)輪轉(zhuǎn)向角。

故此狀態(tài)下架車(chē)的轉(zhuǎn)向過(guò)程是伴隨著車(chē)輪的側(cè)滑而實(shí)現(xiàn)的，此結(jié)論與理論一致[3]。

圖4 無(wú)負(fù)載工況下左右輪轉(zhuǎn)角值對(duì)比圖

2.2 帶載工況下的轉(zhuǎn)向力

在帶載工況下，以架車(chē)勻速行進(jìn)時(shí)所受的阻力作為研究對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

輸入條件參照表1(此時(shí)無(wú)附加牽引力)，由此得到的車(chē)輪行進(jìn)阻力如圖5所示(分轉(zhuǎn)向與不轉(zhuǎn)向兩種工況)。

從圖5中可以看出，帶載無(wú)轉(zhuǎn)向工況下，最大行進(jìn)阻力約為480N(圖2中X與Z向的合力，下同)，至多兩人即可操作；但增加2°/s的轉(zhuǎn)向角速度后，行進(jìn)阻力峰值增至約1 450N，已超過(guò)3個(gè)人的操作上限。因此在帶載工況下，利用梯形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作較為費(fèi)力，與實(shí)際使用情況相符。

圖5 架車(chē)車(chē)輪行進(jìn)阻力對(duì)比圖(梯形機(jī)構(gòu))

3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)與仿真

基于梯形機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在的不足，需從本質(zhì)上消除轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪側(cè)滑現(xiàn)象的產(chǎn)生，才可提高架車(chē)的可操作性。故針對(duì)設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。圖中的回轉(zhuǎn)支承用來(lái)替換原梯形機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)整車(chē)轉(zhuǎn)向，與原機(jī)構(gòu)相比其本質(zhì)區(qū)別在于兩前輪并非與架體固連，在架車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中，前后車(chē)輪的軸線(xiàn)均交于一點(diǎn)即轉(zhuǎn)向中心處，滿(mǎn)足無(wú)側(cè)滑理論轉(zhuǎn)向條件。

圖6 改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)二維示意圖

在此基礎(chǔ)上對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行Adams動(dòng)力學(xué)仿真，輸入?yún)?shù)同第2.2節(jié)，仿真結(jié)果如圖 7所示?？梢钥闯鲈跓o(wú)轉(zhuǎn)向工況下，平均行進(jìn)阻力與原機(jī)構(gòu)相近；但在轉(zhuǎn)向工況下，其數(shù)值降低至約±600N(回轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)向速度與原梯形機(jī)構(gòu)一致，即2 °/s)。故通過(guò)回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)架車(chē)轉(zhuǎn)向的方式顯著提高了設(shè)備的可操作性，優(yōu)于原梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

圖7 架車(chē)車(chē)輪行進(jìn)阻力對(duì)比圖(回轉(zhuǎn)支承)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)

基于上述理論分析結(jié)果，通過(guò)分別具有梯形機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)支承的兩臺(tái)架車(chē)，對(duì)其在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的操作力大小進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，初始條件如下：

1) 在車(chē)架上表面分別施加相同配重(1 500kg)并緊固；

2) 在支臂與牽引臂間增加轉(zhuǎn)接件以放置機(jī)械式拉力表(量程0～10kN，引用誤差<2%F.S，使用前進(jìn)行零位標(biāo)校)；

3) 試驗(yàn)路面：水泥路面，與車(chē)輪動(dòng)摩擦系數(shù)約為0.25；

4) 行進(jìn)路線(xiàn)：在直線(xiàn)50m區(qū)域內(nèi)繪制好架車(chē)的行進(jìn)路線(xiàn)，架車(chē)最大轉(zhuǎn)角約20°；

5) 操作崗位人員設(shè)有：架車(chē)上的牽引臂牽拉崗4人(按實(shí)際操作情況配置)、拉力表數(shù)值攝像崗1人及技安崗1人；

6) 試驗(yàn)次數(shù)：3次。

試驗(yàn)參數(shù)、示意圖及結(jié)果見(jiàn)圖8、表2?；剞D(zhuǎn)支承式架車(chē)的轉(zhuǎn)接件與拉力表安裝在圖6中所示三角架與牽引桿連接處。表 2中測(cè)得的操作力為目測(cè)所得均值。

圖8 試驗(yàn)方案加載與測(cè)試示意圖(梯形機(jī)構(gòu))

序號(hào)項(xiàng)目參數(shù)1行進(jìn)直線(xiàn)距離50 m2最大轉(zhuǎn)角20°3操作力實(shí)測(cè)值(直線(xiàn)行進(jìn))梯形機(jī)構(gòu)≈530 N回轉(zhuǎn)支承≈480 N4操作力實(shí)測(cè)值(轉(zhuǎn)向行進(jìn))梯形機(jī)構(gòu)≈1 330 N回轉(zhuǎn)支承≈620 N

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于儀器自身測(cè)量誤差、路面真實(shí)條件與仿真模型存在少許出入以及人員讀數(shù)誤差等客觀(guān)因素外，可認(rèn)為試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與理論仿真一致。即與梯形機(jī)構(gòu)比，回轉(zhuǎn)支承式轉(zhuǎn)向方式有效改善了人員操作力，提高了設(shè)備可操作性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某架車(chē)在實(shí)際使用中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向操作費(fèi)力為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)Adams動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)比分析梯形機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)支承兩種轉(zhuǎn)向方式在直行及轉(zhuǎn)向時(shí)的理論操作力大小，得出與回轉(zhuǎn)支承相比，梯形機(jī)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)不具備改善轉(zhuǎn)向操作力的條件，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

事實(shí)上能否應(yīng)用回轉(zhuǎn)支承式轉(zhuǎn)向，與設(shè)備構(gòu)成和功能有較大關(guān)系，在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分考慮。在復(fù)雜的工程汽車(chē)領(lǐng)域如何合理設(shè)置轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)或設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而提高車(chē)輛的轉(zhuǎn)向靈敏度并減小至不足轉(zhuǎn)向量，仍一直是人們研究的重點(diǎn)[4]。