彭超 李立順 李紅勛

軍事交通學(xué)院 天津 300161

基于Solidworks Motion的備胎架收放裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

彭超 李立順 李紅勛

軍事交通學(xué)院 天津 300161

某專用車備胎架進(jìn)行收放的過程中，在放下的起始階段和收起的結(jié)束階段，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)的現(xiàn)象[1]。針對這個(gè)現(xiàn)象，對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了研究分析，通過Solidworks Motion軟件對該備胎架收放裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且驗(yàn)證了優(yōu)化方案對解決備胎架收放抖動(dòng)問題的有效性。

備胎架 結(jié)構(gòu)改進(jìn) 仿真分析

1 前言

某專用車底盤采用常流式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并在動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)回路，通過液壓缸實(shí)現(xiàn)備胎架的收放，備胎架收放液壓原理圖如圖1所示[2]。備胎架收放過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，液壓缸液壓桿速度恒定，但備胎在下降的起始階段和收放的結(jié)束階段，速度很快，加速度較大，備胎架運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。為了解決這個(gè)問題，筆者分析了備胎架結(jié)構(gòu)方面存在的問題，對備胎收放裝置的機(jī)架進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)問題得到了較好地改進(jìn)。

2 備胎架建模與運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 Solidworks軟件建模

備胎架各組成部分如圖2所示。

為便于分析，本文對備胎架裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，在計(jì)算時(shí)忽略了液壓缸和各桿件的質(zhì)量，只考慮車輪的質(zhì)量108.5 kg，搖臂的擺角范圍為64°～232°，建立了三維實(shí)體模型，備胎架運(yùn)動(dòng)設(shè)定的極限位置如圖3所示。

圖1 備胎架收放液壓原理圖

圖2 備胎架裝置組成

圖3 備胎架極限位置

2.2 Motion仿真

Motion是Solidworks內(nèi)部運(yùn)動(dòng)仿真插件，不需復(fù)雜設(shè)置，即可獲得機(jī)械運(yùn)動(dòng)到任意位置時(shí)零件的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度、加速度等仿真結(jié)果。因?yàn)閭涮ゼ芟陆禃r(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，泵的流量近似等于液壓缸的流量，因而對于液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)，有：

式中，Q1為液壓缸流量，L/min；Q2為泵的流量，L/min； A為無桿腔活塞面積，mm2；D為無桿腔活塞直徑，mm。

查閱資料得知，該型號車輛的轉(zhuǎn)向助力泵怠速狀態(tài)下流量Q2=6 L/min，無桿腔活塞直徑D=66 mm。計(jì)算可得，備胎架下放過程，活塞桿的速度V近似等于29.2 mm/s。在Solidworks Motion軟件中，先設(shè)定好備胎收放裝置的起始角度，與水平面夾角為64°，設(shè)定活塞桿添加相對液壓缸的速度為29.2 mm/s，設(shè)置仿真時(shí)間為18 s，每秒仿真步數(shù)為25步。運(yùn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行處理，如圖4所示。圖4中，a1、a2點(diǎn)分別表示備胎架高處起始點(diǎn)的角速度和角度，b1、b2點(diǎn)分別表示備胎架下降末位置的角速度和角度。從a2點(diǎn)到b2點(diǎn)，備胎架從高處起始位置下降到底端末位置，實(shí)現(xiàn)了備胎所在運(yùn)動(dòng)桿件與水平面從64°轉(zhuǎn)動(dòng)到232°的過程。備胎架下降的過程，前一段時(shí)間速度較大，其中備胎起始速度為34.5 rad/s，之后角速度減小且變化較快，在最小速度附近一段時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，最小速度約為7.4 rad/s ，之后速度緩慢上升至末端速度，約為13.6 rad/s 。

圖4 備胎架運(yùn)動(dòng)過程角度、角速度變化曲線

備胎架下降過程的速度變化快慢特性，類似于四桿機(jī)構(gòu)的急回特性。四桿機(jī)構(gòu)的急回特性是當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿往復(fù)擺動(dòng)的平均速度有較大差異。備胎收放裝置的一部分如圖5所示，與機(jī)架左側(cè)相連的連架桿作為曲柄，與機(jī)架右側(cè)相連的是液壓缸，曲柄整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液壓缸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，類似四桿機(jī)構(gòu)的搖桿。

圖5 備胎架裝置右側(cè)部分

對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，設(shè)定曲柄角速度為1 rad/s，使曲柄做整周運(yùn)動(dòng)，設(shè)置仿真時(shí)間為15 s，每秒仿真步數(shù)為25步，運(yùn)行仿真，仿真分析結(jié)果如圖6所示，得到液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由圖6可見，ab段液壓缸的擺動(dòng)平均速度明顯大于bc段，從而可知該備胎架裝置也存在類似的急回特性，這種急回特性使備胎收放速度較難控制。

圖6 急回特性運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3 備胎架改進(jìn)[3]

由圖4中備胎架仿真結(jié)果可知，備胎架下降過程的前一段時(shí)間速度較大且變化快；后一段時(shí)間速度較小，變化較??；中間過程速度最小且平穩(wěn)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，使得備胎下降初始時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)，速度較大。本文采用的改進(jìn)方法是，通過改變機(jī)架結(jié)構(gòu)位置改變運(yùn)動(dòng)桿件的位置。這種方法相對簡單，能較好地達(dá)到預(yù)期效果。由備胎運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果可知，下降末端速度是13.6 rad/s，可知備胎位于低處時(shí)，速度較小，而備胎位于高處時(shí)，其起始速度為34.5 rad/s，下降速度過快，極易造成危險(xiǎn)。改進(jìn)方案的目的是使備胎下降過程避免出現(xiàn)速度較大的位置，即保持運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間相對位置不變，僅調(diào)整機(jī)架結(jié)構(gòu)位置和機(jī)架與運(yùn)動(dòng)構(gòu)件連接方式，相當(dāng)于使原運(yùn)動(dòng)構(gòu)件相對于原機(jī)架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。由圖4備胎架仿真結(jié)果可知，當(dāng)備胎架從64°轉(zhuǎn)動(dòng)到特定位置90°時(shí)，速度大幅減小且更加平穩(wěn)，故取原運(yùn)動(dòng)構(gòu)件逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)26°，最終使備胎下降初始速度減小。備胎架改進(jìn)過程簡圖如圖7所示，改進(jìn)方案與原方案三維模型對比如圖8所示。

圖7 備胎架改進(jìn)過程簡圖

圖8 方案與原方案三維模型對比圖

4 改進(jìn)方案的仿真驗(yàn)證

通過Solidworks Motion軟件對方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，Motion中的設(shè)置與前述原備胎架的仿真設(shè)置類似。將仿真結(jié)果與原備胎架的仿真結(jié)果對比分析，改進(jìn)后的方案與原備胎架裝置進(jìn)行備胎下降時(shí)角速度變化的比較，如圖9所示，曲線的端點(diǎn)c1、d1分別表示原備胎架和改進(jìn)后備胎架與水平面成64°位置處的角速度值，曲線末端c2、d2分別表示原裝置及改進(jìn)方案與水平面成232°位置處的角速度值。

圖9 改進(jìn)方案與原裝置對比圖

通過分析可以得知，改進(jìn)方案能較好地解決備胎放下過程開始階段速度較大的問題，在備胎下降過程中速度相對平穩(wěn)，同時(shí)改進(jìn)方案也能夠滿足備胎收放需要的角度，即實(shí)現(xiàn)備胎架與水平面夾角從64°到232°的變化。

5 結(jié)語

本文通過Solidwork軟件對備胎架收放裝置進(jìn)行建模及仿真優(yōu)化，在原運(yùn)動(dòng)構(gòu)件相對位置不變的基礎(chǔ)上，改變機(jī)架構(gòu)造以及機(jī)架與運(yùn)動(dòng)部件的連接位置，從而使備胎架在下降初始階段能夠合理避開速度較大的位置，有效改善了備胎收放過程中高處運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)現(xiàn)象，提高了裝備使用的可靠性。

[1] 詹雋青,賈英杰,李立順等.備胎收放系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2015(07):111-114.

[2] 吳彥,董紅贊.對采煤機(jī)搖臂調(diào)高抖動(dòng)問題的研究[J].煤礦機(jī)電,2007(1):19-20.

[3] 崔銳,李娟.平衡閥在采煤機(jī)液壓系統(tǒng)中的使用[J].機(jī)械工程師, 2012(9):89-89.

Optimization Research of Structure of Spare Tire Rack Based on Solidworks Motion

PENG Chao et al

In the process of carrying spare tire, the spare tire rack of a special vehicle will jitter and be instability in the initial stage of the descent process or in the end stage of recovery stage. In this paper, the causes of this phenomenon are studied and analyzed, and Solidworks Motion is used to optimize the structure of the retracting device and prove the effectiveness of the improved scheme to solve the vibration problem.

spare tire rack; structure improvement; simulation analysis

彭超，男，1993年生，碩士研究生，現(xiàn)從事特種車輛仿真方面的研究。

U 463.32+6

A

1004-0226(2017)01-0092-03

2016-11-03