郭 銳 ，趙靜一

（1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；2.江蘇天明機(jī)械集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222000）

鉸接型式的轉(zhuǎn)向模型已經(jīng)在工程車輛上得到廣泛的應(yīng)用，如工程機(jī)械、林業(yè)機(jī)械及軍用工程車輛等[1]。常見(jiàn)工程車輛鉸接轉(zhuǎn)向，采用單缸或雙油缸左右對(duì)稱布置[2-3]。，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 普通鉸接轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

特大型重載車輛，采用此轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，會(huì)使油缸行程和轉(zhuǎn)向力臂變大，轉(zhuǎn)向功率消耗增加，降低整車平順性和操縱穩(wěn)定性[4]。某重載車輛重量達(dá)160t，車寬達(dá)到4900mm，為了提高轉(zhuǎn)向的機(jī)動(dòng)性，提高轉(zhuǎn)向效率，采用了新型的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。本文對(duì)新型轉(zhuǎn)向型式的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成、轉(zhuǎn)向鉸點(diǎn)位置的參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行了研究和探討，以期望在保證轉(zhuǎn)向可靠性的前提下，采用較小尺寸的液壓缸，將使整機(jī)布置更容易，并能降低制造成本，提高運(yùn)行的安全性能和動(dòng)力特性。

1 新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 新型鉸接轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)圖

新型鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化模型如圖2所示。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱布置，每一側(cè)均有一個(gè)連桿連接前車，一個(gè)連桿和一個(gè)液壓缸連接后車。以右側(cè)為例，轉(zhuǎn)向液壓缸e1和后車架連桿b1組成搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，后車架連桿b1為搖桿，液壓缸e1為滑塊；前、后車連桿a1和b1與前、后車車架c1和d1組成雙搖桿機(jī)構(gòu)，后車架連桿b1和前車架c1為搖桿，后車架d1，可以看作相對(duì)不動(dòng)零件，為機(jī)架。前后車架之間用鉸銷連接，轉(zhuǎn)向油缸鉸接在鉸銷兩側(cè)的前后車架上。轉(zhuǎn)向時(shí)，前后車架相對(duì)偏轉(zhuǎn)，內(nèi)側(cè)的油缸縮短，產(chǎn)生拉力，外側(cè)的油缸伸長(zhǎng)，產(chǎn)生推力。

2 新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化仿真

2.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模

在用ADAMS軟件建模之前，對(duì)轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于ADAMS在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解時(shí)，只考慮零件的質(zhì)心和質(zhì)量，而對(duì)零件的外部形狀不予考慮。

運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，其建模過(guò)程的基本步驟為：① 創(chuàng)建設(shè)計(jì)點(diǎn)。按照鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)油缸鉸點(diǎn)位置坐標(biāo)初始值設(shè)置，在table editor分別輸入x,y坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)值，創(chuàng)建points點(diǎn)；② 創(chuàng)建約束。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件之間存在某些約束關(guān)系，要模擬轉(zhuǎn)向的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，就需要根據(jù)實(shí)際情況抽象出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的類型，創(chuàng)建轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)副；③ 添加驅(qū)動(dòng)。在ADAMS/View中，在模型上定義的驅(qū)動(dòng)是將運(yùn)動(dòng)副未約束的其他自由度做進(jìn)一步約束。從某種意義上說(shuō)，驅(qū)動(dòng)也是一種約束，只是這種約束是時(shí)間的函數(shù)。利用step函數(shù)、if函數(shù)等，可以在油缸上添加移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，也可以在鉸接中心點(diǎn)上創(chuàng)建轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)；④創(chuàng)建傳感器。傳感器可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的形成、轉(zhuǎn)角等。根據(jù)以上步驟，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖3所示。

圖3 新型鉸接轉(zhuǎn)向模型簡(jiǎn)圖

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在xoy平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，與z方向無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型由10個(gè)剛體、13個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副約束、2個(gè)移動(dòng)副約束和1個(gè)凸輪組成。其自由度為1，可知機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)敏感度分析

仿真機(jī)構(gòu)中設(shè)置的若干個(gè)獨(dú)立可變參數(shù)，雖然他們的變化都會(huì)引起轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)軌跡變化，如果選擇敏感度較高的可變參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而忽略那些敏感度較低的可變參數(shù)，就可以大大節(jié)約優(yōu)化時(shí)間、提高優(yōu)化效率[5]。

敏感度的公式定為：

式中，O為目標(biāo)值，V為設(shè)計(jì)變量，i為迭代次數(shù)。

本節(jié)采用采用設(shè)計(jì)研究(Design study)優(yōu)化虛擬樣機(jī)，以前車的轉(zhuǎn)角最大和轉(zhuǎn)向力矩最小標(biāo)函數(shù)，分析轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)的位置選取對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響。在總體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，如圖2所示，影響轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的有9個(gè)點(diǎn)，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)對(duì)稱，在選擇時(shí)可只選取左右任意一側(cè)拉桿坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量，本文選用右側(cè)的坐標(biāo)變量點(diǎn)。獨(dú)立參數(shù)包括A1、B1、C1、D1和O鉸點(diǎn)的X、Y位置坐標(biāo)。假設(shè)A1點(diǎn)x、y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)變量DV_1、DV_2，B1點(diǎn)x、y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)變量DV_3、DV_4，C1點(diǎn)x、y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)變量DV_5、DV_6，D1點(diǎn)x、y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)變量DV_7、DV_8。

依次對(duì)設(shè)計(jì)變量DV_1～DV_8進(jìn)行設(shè)計(jì)研究分析，自動(dòng)生成設(shè)計(jì)研究中目標(biāo)函數(shù)的變化情況、目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)變量DV_1～DV_8之間的變化關(guān)系以及設(shè)計(jì)研究報(bào)告。設(shè)計(jì)研究報(bào)告提供在每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟中，設(shè)計(jì)變量DV_1～DV_8對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響敏感度，因?yàn)槠年P(guān)系僅列出影響最大的4個(gè)變量DV_1、DV_2、DV_3、DV_6，如圖4～圖7所示。

圖4 DV_1對(duì)最大轉(zhuǎn)向角度的影響曲線

圖5 DV_2對(duì)最大轉(zhuǎn)向角度的影響曲線

圖6 DV_3對(duì)最大轉(zhuǎn)向角度的影響曲線

圖7 DV_6對(duì)最大轉(zhuǎn)向角度的影響曲線

同理，對(duì)于變量DV_1～DV_8變化所引起的最小轉(zhuǎn)向油缸力臂差的變化，我們得到敏感度最大點(diǎn)DV_4、DV_5、DV_6、DV_7。

2.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化

鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化是一個(gè)有約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題，其為優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示，虛線框中的幾個(gè)步驟一般由優(yōu)化程序自動(dòng)完成。

本文采用的是OPTDES-SQP算法，該算法是利用擬牛頓法（變尺度法）來(lái)近似構(gòu)造Hessian矩陣，以建立二次規(guī)劃子問(wèn)題，因此又稱為約束變尺度法。二次規(guī)劃法是通過(guò)拉格朗日函數(shù)將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃子問(wèn)題，通過(guò)求解二次規(guī)劃子問(wèn)題得到迭代的搜索方向，沿搜索方向進(jìn)行一維搜索，找到迭代的步長(zhǎng)，通過(guò)迭代最終得到問(wèn)題的最優(yōu)解[6]。

圖8 轉(zhuǎn)向優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

（1）目標(biāo)函數(shù)的選取。我們的目標(biāo)是既要減少油缸的行程，又要使轉(zhuǎn)向力臂最大，這樣就構(gòu)成由兩個(gè)分目標(biāo)函數(shù)組成的多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，其函數(shù)可以表示為：

式中，F(xiàn)1為轉(zhuǎn)向角為最大的分目標(biāo)函數(shù)，F(xiàn)2為轉(zhuǎn)向力臂差為最小的分目標(biāo)函數(shù)，W1、W2為分目標(biāo)函數(shù)F1、F1的加權(quán)因子。

（2）設(shè)計(jì)變量的選取。各鉸接點(diǎn)的位置是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置的主要參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是確定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的液壓油缸的最佳布置方案，因此它們必須確定為參數(shù)化建模參數(shù)。由上一節(jié)的敏感度設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出，鉸接點(diǎn)的位置對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的性能有很大影響。因此，根據(jù)敏感度對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響程度大小，選取DV_1、DV_2、DV_4和DV_6為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量。

（3）約束條件的選取。本優(yōu)化用到的約束為：邊界約束和幾何約束。邊界約束為變量DV_1、DV_2、DV_4和DV_6的取值范圍的上、下限。幾何約束包括油缸約束、鉸點(diǎn)約束和傳力角約束。油缸約束為油缸尺寸最長(zhǎng)和油缸尺寸最短約束，以及油缸的伸縮比不小于1.6，且最小長(zhǎng)度應(yīng)符合油缸設(shè)計(jì)規(guī)范。鉸點(diǎn)對(duì)稱性約束，因?yàn)檗D(zhuǎn)向的對(duì)稱性要求鉸點(diǎn)對(duì)稱分布。傳力性能約束，傳力角度的不同產(chǎn)生的力的效率也不一樣。

首先對(duì)最大前車轉(zhuǎn)向角度，應(yīng)用二次規(guī)劃算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)24此迭代處理，可以得到設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)于目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化值，同時(shí)目標(biāo)函數(shù)最大轉(zhuǎn)向角度得到最優(yōu)解。根據(jù)軟件仿真結(jié)果，經(jīng)過(guò)分析處理后可得出轉(zhuǎn)向角度優(yōu)化結(jié)果，如表1所示。

表1 最大轉(zhuǎn)向角度優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上參數(shù)選取最小轉(zhuǎn)向力臂差為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。轉(zhuǎn)向液壓缸行程差的存在會(huì)引起液壓油的非恒定流動(dòng)，造成轉(zhuǎn)向過(guò)程的振動(dòng)、沖擊，所以應(yīng)盡量將左右轉(zhuǎn)向液壓缸的行程差最小化。而且轉(zhuǎn)向過(guò)程中產(chǎn)生的力臂差與行程差是互為聯(lián)系的，兩者互成正比關(guān)系。

圖9 轉(zhuǎn)向力臂差值優(yōu)化變化曲線

表2 最小轉(zhuǎn)向力臂差優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果對(duì)鉸接點(diǎn)從新進(jìn)行設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)參數(shù)如下：DV_1=-0.23，DV_2=1.23，DV_4=0.6，DV_6=0.13?？梢缘玫睫D(zhuǎn)向力臂差優(yōu)化變化曲線圖9，從曲線可以看出目標(biāo)值由0.0888328變到0.0226044，變化比率為-74.6%。同時(shí)可以得到最小轉(zhuǎn)向力臂差優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。同時(shí)我們可以得到優(yōu)化后的前車轉(zhuǎn)向角度隨時(shí)間的變化曲線圖10和轉(zhuǎn)向油缸力臂差隨時(shí)間的變化曲線圖11。

圖10 優(yōu)化前后最大轉(zhuǎn)向角度變化曲線

圖11 轉(zhuǎn)向力臂差值優(yōu)化變化曲線

從以上兩張圖可以看出，第一次單優(yōu)化轉(zhuǎn)向角度時(shí)，轉(zhuǎn)角由57.8444度增加到59.1284度，增加+2.22%；當(dāng)優(yōu)化力臂差時(shí)，轉(zhuǎn)向角度有所下降，為58.407度，比原來(lái)增加+0.973%，最大行程差相對(duì)原樣機(jī)有明顯減少，由0.0888328m減少到0.0226044m，減少74.6%。另外優(yōu)化后，鉸接點(diǎn)位置發(fā)生變化，油缸的布置形式也隨之變化。

3 結(jié) 論

本文介紹的新型雙搖桿式鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其新穎的設(shè)計(jì)原則使轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)緊湊、靈活。采用多體動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)4個(gè)鉸點(diǎn)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以轉(zhuǎn)向角度最大和轉(zhuǎn)向力臂差值最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)新型鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，找到了綜合性能最優(yōu)的機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)位置，為特大型工程車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的改進(jìn)和新產(chǎn)品的研發(fā)提供了理論依據(jù)。同時(shí)應(yīng)指出，本文的結(jié)論同樣能夠應(yīng)用于其他具有鉸接轉(zhuǎn)向的工程車輛車品。

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