基于ADAMS的叉车转向动力特性分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

ADAMS-based dynamical property analysis on forklift steeringWE/Liang-bao，MA Chao-x%aTt，ZHANG Yu-xing，LI Er-met(School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Sc ience and Technology，Taiyuan 030024，China)Abstract：By exploring the impacts of kingpin inclinational angle on forklift steering，a virtual prototypeis established using ADAMSm for steering system .With complete vehicle improvement，a mathematicalmodel of kingpin aligning torque，a steering angle curve，is obtained via simulation.By treating kingpininclination angle and maximum aligning torque as variable and objective function respectively，the virtualprototype is optimized.As such，the aligning torque significantly increases，whilst the hydraulic cylindertorque decreases，SO as for energy-saving.With self-aligning property analysis on optimized model，thisapproach provides a reference to forklift steering mechanism design。

Key words：forklift；aligning property；optimized simulation- 般车辆转向系统的转向轮都具有主销内倾、主销后倾、车轮外倾、车轮前束 4个定位角，它们是车轮偏转安全和转向自动回正功能的基本保障.而叉车转向系统中，由于叉车运行速度比较低，主销后倾和车轮前束的功能效果不显著，制造时为了简化转向桥结构和制造工艺，-般主销后倾角、前束角取 0。.车轮外倾角-般取值比较小，在 1。～1.5。

之间，目的是为了车轮安装的安全并防止出现车轮内倾，其对车轮回正效果不明显.因此，重点分析主销内倾角回正力矩与叉车转向持性间的关系。

1 主销 内倾角产生转向回正力矩的数学模型以某 FD30内燃叉车为例：前后 轮距 L1 700 mm，空载时后轴负载 2 610 kg，后轮尺寸为q590 mm x 175 mm，后轮轮距为 970 mm。

文献[1-5]推出了-个车轮主销内倾时回正力矩的公式，但当车辆转向时，2个转向轮的转角是不同的，它们的关系满足：c。t卢 B c。t (1)式中： 为外转向轮偏转角；B为主销问距；L为前后车轮距；a为内转向轮偏转角。

车轮由直线状态转过-定角度后，其受力如图1所示.图中车轮接地中心点为 A，绕主销转过 卢后，车轮中心点转到 A 点.主销轴线的延长线交地面与于 0点，OA为主销偏距e，主销内倾角为 0，图 1b中 O0 为下陷深度，F：为车轮的垂直载荷。

作者简介：卫良保(1961-)，男，教授.E-mail：weiliangbao###163.COYfl第 1期 卫良保，等：基于 ADAMS的叉车转向动力特性分析 37， 、// ，t fi 、、、 √OJJ/ecos 0 / Isin 0 -f- /B- 3/0/琏 - 办'ecos 0sina偏转 口角时的三维立体图 b三维坐标的受力图图 1 转向轮受力图Fig.1 Steering wheel by trying叉车左转向轮由于垂直力而产生的回正力矩M。l为M lF lsin 0ecos Osin F。lsin(20)sin卢厶 (2)式中： 为左转向轮垂直力。

叉车整车的总转向回正力矩 M：为左右轮回正力矩(M。，M )之和，由于叉车转向桥中心与车体铰接，左右车轮受到垂直方向的力是相等的，所以垂直载荷引起的回正力矩为：M MlM F lesin(20)sin flF。 esin(20)· 厶sin口 1 Gesin(20)(sinasin9) (3)4式中：F 为右转向轮垂直力；G为后桥承受的垂直载荷。

叉车转向轮侧向力引起的回正力矩 M 为[9]M (F 1 F )rtan y (4)式中：F F 为左右转向轮受到的侧向力；r为转向轮半径；y为车轮后倾角.对于叉车而言，y0。，所以由侧向力引起的回正力矩 M 0.即叉车的总回正力矩 M 为M M (5)2 叉车转向的转向阻力矩叉车原地转向时的转向阻力矩 M。，可按下列公式计算[ ]。

M。(F lF ) /e lD (6)式中： 为综合摩擦因数；l0为当量半径，PB /3，B 为轮胎宽度。

当车辆行驶时，转向阻力矩会下降为上述阻力矩的 i/2i/3，甚至更小.原因是轮胎侧向弹性变形使自传阻力变小，摩擦变为滚动摩擦，摩擦因数变小。

3 叉车转向机构的建模与仿真在 ADAMS中建立 FD30柴油叉车的转向简化模型，初始主销内倾角 06。，在转向桥中心加载其承受的垂直载荷 G26 100 N，在主销与转向节臂之问以主销轴线为轴线施加转动副，转向节臂与连杆、连杆与横置液压缸之间加载球铰副，油缸活塞杆相对转向桥体施加平移副，转向车轮与测试平台之间加载接触副，设置动摩擦因数为0.1，静摩擦因数为0.28.模型如图 2所示。

图 2 叉车转向系统虚拟样机模型Fig.2 Forklift steering system virtual prototypemodel在平移副上添加直线驱动，设置函数为F(t) 1 000 sin 2nt (7)式中：t为时间。

对主销偏距 e，内轮转角 a，外轮转角 ，回正力矩 M，回正阻力矩 M。，液压缸产生的力矩 MHT分别进行测量。

在仿真时车轮原地转动，此时阻力矩最大，对模型进行仿真，测得回正力矩 M 的图像，如图 3a中 国 上 程 机 械 学 报 第 u卷所示，液压缸产生的力矩 MHT，如图3b所示。

1 500- l 1 000杰00O 0 1 0.2 0.3 0.4 0.5t/Sa回正力矩Ml 35O0 1 300鲁 1 250z 1 200l 150l 100l 050/ // O.1 0.2 0 3 O4 0 5tSb液压缸活塞产生的力矩 图3 样机仿真得到的力矩图Fig.3 Moment diagram of the prototype simulation从图3a可以看出，在车轮从正向到偏转最大角，再回归正向过程中，偏转角最大时，最大回正力矩为 M- 1 152.6 kN·mm.由图 3b可知，液压缸产生的力矩有-个跳跃过程，这是由于阻力矩方向改 变 引 起 的，得 到 最 大 力 矩 为 Mm 6 717.5 kN·mm，最 小 力 矩 为 Mm 4.408 2 M N ·mm。

通过MTALAB计算得到叉车的最大回正力矩为 1 151.7 kN·mm，证明回正力矩数学模型具有- 定的可靠性。

4 主销内倾角对回正力矩的影响4.1 优化数学模型的建立4.1.1 设计变量已知主销间距、车轮间距是-定的，由主销内倾角 的变化，得到回正力矩 M 的变化。

4.1.2 目标函数以车轮回正力矩最大为目标函数，即F ( )M ( )1Gesin(20)(sin asin ) (8)44.1.3 约束条件主销内倾角 的变化范围为：0。≤ ≤15。。

4.2 利用ADAMS对模型进行实验分析主销内倾角 0。≤ 0≤15。变化范围内，利用ADAMS以回正力矩最大为目标，主销内倾角为变量，进行试验分析，得到在不同内倾角时旦j正力矩随偏转时问(角度)的变化曲线，如图 4所示.可以看到随着主销内倾角 0从小到大的过程中，最大回正力矩先变大，后变小，说明 0取中某个值时，才能使回正力矩最大。

1 500暑 1 OOOZ 5000 O 1 02 O 3 O4 0 5r/S图4 回正力矩 M 随主销内倾角0的变化曲线Fig.4 Aligning torque curve with the kingpininclination4.3 利用 ADAMS对模型进行优化在AD S中优化等级越高.得到的精度越高，采用三等级的精度，对模型进行多轮优化设计，以达到满意的结果.结果当 07.586 5。时，得到最大回正力矩.回正力矩优化前后曲线，如图 5a所示；液压缸产生的力矩优化前后曲线，如图 5b所示。

000500DO0500000500000500时间/Sa回正力矩优化前后图时间 /Sb液压缸活塞产生的力矩优化前后图图5 优化前后力矩变化图Fig.5 Torque changemap before and after optimization从图中得到优化后，最大回正力矩增大，液压缸活塞产乍的最大和最小力矩都减小，从而液压缸功率减小，达到节约能源的目的，优化前后数据对比如表 1所示。

第 1期 卫良保，等：基于 ADAMS的叉车转向动力特性分析表 1 优化前后力矩数据对比Fig. Torque comparison of the before andafter optimization5 对模型进行回正特性分析车辆主销内倾角有使转向轮 自动回正的特性。

当车辆行驶的过程中转向轮与地面之间为滚动摩擦时，此时车辆阻力矩变小，而回正力矩不变，阻力矩要小于回正力矩，行驶时车辆会 自动回正.修改上述模型约束，去掉对液压缸横向力作用，对转向桥中心分别施加向前运行的速度 4 m ·s 和v1 m·s～.对上述优化后的模型进行回正力矩测试，得到回正力矩随运行时间变化曲线，如图 6所示.由图可知，在没有液压力作用的时候，有-定的自回正特性，但最后回正力矩不为 0.这是由于当回正力矩等于阻力矩的时，车轮不再回正，说明存在-定量的残留偏转角.若考虑各部件的机械阻力和液压阻力，残留偏转角会更大.在实际应用中，只能利用动力(液压)消除残留偏转角，实现转向。

90 085 O- 80.0量 75.0 每70.0互65.060.055.05O.045.090.0言晕 75.055 050.045 00 2 5 5.0 7.5 l0 0时间/Sa v4m s 回正力矩 变化曲线0 1.0 2.0 3.0 4 0 5.0 6 0 7 0 8.0 9.0 10.0时间/Sb Vl m.s 回正力矩 T变化曲线图 6 回正特·陛分析Fig.6 Return characteristic analysis6 结论叉车在转向时主要是由主销内倾角产生回正力矩.本文在前人的基础上得到回正力矩的数学模型，利用 AI)AMS建立 FD30叉车转向的虚拟样机模型；通过仿真得到在不同主销内倾角时的回正力矩随转向角的变化曲线；对模型进行优化，使液压缸力矩减小，从而达到节省能源的目的.对优化后的模型进行回正特性仿真，结果表明：叉车具有-定的自回正特性，但残 留偏转角较大，仍需动力回正。