沙滩清洁机铰接转向系统的设计

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沙滩清洁车主要用于海岸沙滩的清洁作业，集机械、液压、电气、发动机于-体，安全稳定性要求高.由于海岸沙滩通道狭窄，游客较多，因此，要求转弯半径和转弯通道宽度较小，同时要求整机质量轻，便于在松软、狭窄的沙滩上穿行和作业.铰接式转 向机构与偏转车轮转向机构相比，具有转弯半径孝机动灵活等特点 ，它能实现整机弯道行驶时轮胎在地面上无侧 向滑动 ，并且转向驱动桥的结构工艺大为简化 ，因而在工程机械上得到了广泛的应用.铰接转 向还具有转向通道宽度孝转向功率消耗低的特点 ，因此 ，特别适合应用于轮胎较宽、轴距较长的 自行走式沙滩清洁机口]。

1 转向阻力矩的计算铰接式沙滩清洁机行驶转向时 ，车辆的运动是直线运动和原地转 向运动 的叠加 ，作业时 ，还要求原地转向，原地转向阻力矩比行驶转向要大 2～3倍 ，因此匹配计算时按原地转向阻力矩为依据 ，能保证在最不利条件下实现转向。

转向阻力矩要精确的理论计算是非常困难的，转向阻力矩不仅与车桥的负荷 、车桥的转角、地面阻力系数有关，而且与轮胎的宽度有关，如图 1所示.目前尚无完善的设计计算方法，-般采用经验公式进行类比，常见的阻力矩的经验计算方法有 以下 3种。

1。1 转 向阻力矩计算方法 1比较早期 的经验公式l2]为M - G· ”(0.0001 Z 0.6)(0.3a。0.1a4-2.6)/刁 Nm，(1)式中：G 为车辆前桥上的负荷(N)； 为驱动轮上的滚动阻力系数 ；a为转向角(rad)；z为车辆的轴距(ram)；叩为效率，-般取 0.9。

1.2 转向阻力矩计算方法 2假定-桥固定，转向桥绕铰轴O转动(见图1)，另-桥不动，计算转向阻力矩3]为M -G ·f F /1 000 Nm， (2)式中：G 为转向桥载荷(N)；f为轮胎与路面之间的综合阻力系数，- 般 ∈ (0.10～ 0.15)；b为前轮轮距(mm)；kl为前桥轮轴线至铰接点的距离(ram)。

0图 1 铰接 转 向原理 图收稿 日期 ：2012-07-26基金项 目：国家 自然科 学基金 项 目(50855002)；福 建省 自然科 学基金项 目(2008J0170)厦 门市科技 计划项 目(3502Z20073029)；辅省高校服务海西建设重点项 目作者简介：周水庭(1970-)，男，湖南湘潭人，副教授，博士，主要从事汽车动力学及 cAD/CAE、专用汽车、轮式机械研究。

· 65 ·徐州工程学院学报(自然科学版) 2012年第 4期1.3 转向阻力矩计算方法 3以转向阻力主要来 自轮胎的原地转向阻力来计算阻力矩 ]，即M - N ·f 1 000 Nm， 3、式中：N 为轮胎正压力 (N)；f为综合有效阻力系数；b为前轮轮距(mm)；p为轮胎与地面接地面积 的转动惯性力矩半径，p- /B /8(mm)，B为轮胎宽度(ram)。

1.4 各经验公式的比较和适用沙滩清洁机的计算方法方法 1是 由几种车辆在某些特定条件下试验得出的经验公式 ，有-定的局限性.方法 3认为转 向阻力主要来 自轮胎的原地(即绕铰接中心)转向阻力 ，但由于未考虑车辆转向的滚动阻力 ，因此 ，计算 的结果 比实际的结果要偏小 ，而且误差较大。

铰接式沙滩清洁机在原地转向的实际过程中，因转向桥的桥荷小于承载桥的桥荷，因此，转向桥是绕铰点做圆周运动，左右侧的轮胎综合了滚动和滑动两种运动，圆周半径为R- /6 /4( ·z) ，因此，方法 2更适合于沙滩清洁机转向工况。

根据沙滩清洁机的总体设计 ，前后桥的轴距为 3 700 mm，轮距为 1 800 mm，前桥负荷为 15 000 N，因清洁机后部安装有垃圾收集和输送装置，因此，选取 k值为 0.15，将相关数据代入式(2)，计算得出转向阻力矩为 2 538 Nm。

2 转向半径和转弯通道宽度计算如图 1所示 ，沙滩清洁机铰接转 向时，每-桥上的两侧车轮转动平面始终保持平行，前桥转向后 ，前后桥轴线在地面的投影相交 ，交点为 O点 ，过 O点与地面垂直的线称 O轴 ，则沙滩清洁机各轮绕轴 O作无侧滑滚动 。

前桥外侧车轮转向半径为5R前外：b/2AO - b/2Z(1-kk·COS a)/sin a mm， (4)式 中：b为轮距(mm)；Z为轴距(ram)；k为前桥中心到车架铰点的水平距离与轴距之比；a为转 向角(。)。

后桥内侧车轮转向半径为5R后内- /30-b/2- Z(k (1-k)COS a)/sin a-b/2 mm. (5)转弯通道半径为 、R前外- R后内- Z(1- 2k 2k·COS a- COS a)/sin a b mm. (6)将相关设计数据代入式(4)、(5)、(6)，可得沙滩清洁车的最小转弯半径和转向通道宽，见表 1。

表 1 铰接转向机构最小转 弯半径 和转 向通道 宽度由表 1可知 ，当转向角达 42。时，转弯半径为 6 216.5 mm，转向通道宽度为 2 794.2 mm，符合总体设计最小转半径 6 300 mm、转向通道宽度 2 800 mm的要求。

3 转向液压系统设计转向系统设计的内容较多，其核心是转向油缸的布置、系统压力计算 、油缸行程计算等。

3.1 转向油缸总体布置的约束条件1)油缸铰点的位置、各运动部件应该避免在转 向过程中和发动机、工作装置和驾驶室发生干涉，确保转向油缸和管路有必要的摆动空间。

2)油缸的最大、最胁装距应该确保在油缸的结构要求范围内，油缸行程应满足车辆转向角的要求，油· 66 ·周水庭，等：沙滩清洁机铰接转向系统的设计缸活塞杆的运动速度应满足转 向时间的要求。

3)转 向过程中，油缸相对车架摆动角应尽量小，以减小各铰点的磨损。

4)由转向阻力矩决定的油缸压力应始终小于系统设定的压力 ，同时压力随转角变化的曲线尽量平缓。

3.2 转 向系统压 力的计算根据液压设计手册和液压元器件样本资料 ，齿轮泵和全液压转 向器最高压力为 16～18 MPa，考虑到转向系统的安全性 ，提高转向系统的安全系数 ，可初步选定转 向缸最大压力控制在 10 MPa较为合理。

图 2 转 向机 构 几何 关 系 图如图 2所示 ，转 向油缸 GM 和 HN 是车辆处于直线行走 (转 向车架转角为 0。)时的位置，当转向车架转角为 时，两转向油缸分别处于 GM 和 HN 位置。

推力油缸产生的推力F1- P ·丌·D /4 N， (7)式 中：P为油缸压力(MPa)；D为转 向油缸缸径(mm)。

拉力油缸产生的拉力F2- P·毒(D -d )/4：P·7·D /f/4- F1/ N， (8)式 中：d为油缸杆径(mm)； 为油缸速度 比， - D /(D -d )。

转向车架转角为 0t 时，推力油缸产生转向力矩M1F1·PS- F1·R·r·sin(doa )//R。，.。-2R ·r·COS(0toa ) Nm， (9)式 中：PS为推力缸力臂(mm)，PS- PM ·GT/GM (因 △PSM ～ △GTM )；GT- r·sin(a0 )(ram)；GM 为转向油缸安装距(mm)，GM - 、/R r -2R·r·COS(000/ )；R-PM (mm)；r-PG(mm)；a0为车辆处于直线行走状态时 ，转向油缸两端 的铰点与车架铰点连线的夹角(。)。

同理 ，转向车架转角为 13l 时，拉力油缸产生转 向力矩Mz- (F1/o)R ·r·sin(a0-a )/ r - 2R ·rc0s(do- ) Nm， (10)两油缸总的转向力矩M o- M 1 M z- F1·R ·rl R。 r - 2R ·rcos(ao a ) ，/n。 r - 2R ·r·cos(a0-af)因油缸的转向力矩与车辆的转向阻力矩是相等的，因此有M0-M，将式(2)、(7)代人式(11)，可得转向油缸系统压力为7r D R · · ·r14G ·-厂·R r - 2R ·r·cos(ao ) r - 2R ·r·cos(a。

3.3 转向油缸行程计算见图 2，转向油缸行程 s等于转向油缸最大安装距与最胁装距之差，即MPa. (12)S-GM -HN - /R。r -2R·r·cos(aod )- ，/e r。-2R·r·COS(O0-a ) mm.(13)· 67 ·徐州 工程 学院学报 (Ih然科学版) 2O12年第 4期3.4 转向器排量的确定转向器的排量是由转 向时间来决定的，为了防止因转向过快对转向机构造成的冲击破坏，或在斜坡作业时防止转弯过快造成翻车事故 ，因此 ，铰接转向车辆从左向极限到右向极限位置 ，或从右向极限到左 向极 限位置的方 向盘转动圈数不小于 4圈，转弯时间不小于 5 S。

铰接转向车辆从左向极限到右向极限位置 ，或从右向极限到左向极限位置置油缸所需油量- (2D - d。)S·兀/4/1 000 mL， (14)转 向器每转排量q- v/n- (2D。-d。)S·/4/1 O00/n mL， (15)式 中：”为方向盘转动圈数。

3.5 转向液压 系统计算根据总体参数 ，最大转向角 a - 42。，转向系统压力 10 MPa，初步确定转向油缸缸径 50 mm，杆径 25mm，R220，r- 746，a。- 77.3。.将上述数据代入式(12)、(13)可得出整个转向过程中的系统实际压力和油缸行程 ，数据见表 2。

表 2 转向液压系统主要参数计算转 向角 /(。) 转 向阻力矩 M/Nm 最 大安装距 /mm 最胁装距 /mm 系统压力 P/MPa从表 2可以看出，当转向角达 42。时，最胁装距为 580.5 mm，行程为 294.4 mm，经过调整，取最胁装距585 mm，行程 295 mm.计算所需转向系统压力为 4.52 MPa，小于总体设计确定的系统压力，符合设计要求。

4 结语对沙滩清洁车铰接式转向机构的重要性能参数进行设计计算 ，为铰接式转向机构的设计提供参考 ，为后续的设计打下基础.所述转向油缸系统压力、油缸行程的计算方法简便 、可靠 ，可应用于其它铰接转向工程车辆的计算。

沙滩清洁机铰接转向过程运动复杂 ，不仅有转向桥绕铰点做 圆周运动 ，还有轮胎同时有滚动、滑动运动。

因此在后续工作中，将对铰接转向阻力矩作详细分析、计算和试验研究。