摘要：分析叉车转向机构转向特性、结构形式和转向液压缸活塞杆受力情况，建立转向机构数学模型。在此基础上以转角误差为约束条件，以转向液压缸推拉力最小为目标函数，对叉车转向机构进行优化设计，并对其进行实例计算，结果表明优化后的转向机构不仅满足转角误差的限定条件，还可有效减少转向液压缸推拉力。该优化方法可对叉车转向机构的设计和叉车性能的改善提供一定的参考依据。
关键词：叉车；转向机构；优化设计
引言
电叉车转向机构现在普遍采用横置液压缸式转向机构，这种结构具有形式简单、机构紧凑、布置方便和偏转角大等优点。但是在转向机构设计过程中会遇到一些难题，比如车轮转角误差过大会影响轮胎磨损、油缸径向力大会导致油缸漏油、油缸行程大会引起机构干涉和油缸布置困难、转向油缸推力（或者进油量）要求大则导致转向操作的灵敏性差等问题，并且这些问题之间会相互牵制与制约，很难同时实现的最优设计，因此优化设计方法（特别是多目标优化方法）需要被引入到叉车转向机构的设计过程中。
1矿用叉车转向机构的建模与仿真
(1)转向机构建模在ADAMS软件中，用工具箱中连杆创建转向机构.该转向机构初始主要参数如下：转向节臂m=300mm，液压缸偏距s=140mm，转向节臂初始角口-79.30。连杆长度n=250mm。其中主销中心距M_2254mm.叉车轴距￡_5500mm.液压缸安装距为l750mm：
(2)创建轮胎和地面ADAMS中自带有多种不同类型的轮胎和地面谱特性文件.用户根据需要可以选择任一种轮胎和与之相匹配的地面模型。选择UA轮胎模型和二维平整路面。UA轮胎模型可考虑外倾和松弛长度，在需要有限参数的情况下.能够取得非常好的精度：
(3)创建运动副创建了虚拟样机后.就需要使用约束副将它们连接起来.以定义物体之间的相对运动。
2转向机构优化
(1)确定约束条件考虑转向机构的要求，空间位置的布置、结构等因素，给出限制条件：260≤r≤340；210≤f≤290；110≤e≤170；760≤口≤84。；
(2)参数化坐标点将r、2、e、口参数化，通过函数关系表达转向机构各个杆件端点的坐标值：
(3)确定目标函数
以转角误差平均值最小为目标函数。对样机进行优化.通过与优化前比较.可以看到优化后最大转角误差降低了1.390.平均转角误差降低了0.680，优化结果比较理想。最终确定的该转向机构的设计参数为转向节臂r=298.73mm、连杆Z=252.59mm、液压缸安装偏距e=141.47mm、节臂初始角皓78.409mm。
3改装设计要求及计算
3.1改装设计要求
车辆转向对转向机构的要求是保证所有车轮在转向时都是滚动状态而不发生滑动。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆要达到这一要求，必须保证转向时各个车轮的轴线交于一点，即转向时内外转向轮的偏转角α、β与车辆的轴距L及主销中心距M有如下关系：
ctgβ-ctgα=M/L
横置油缸式转向机构的改装设计的目的，就是设计出一个能满足这一关系的转向机构。
3.2改装设计所需参数
转向机构设计的关键是确定转向臂与主销中心连线的夹角及转向臂长度m，这两个参数一旦确定，便确定了转向机构设计。
3.3改装设计计算
为了方便计算，先选定转向臂与主销中心连线的夹角为直角，再计算其他参数。
R=(L/sinβ)+[(m'-M)/2]
今最小的转弯半径R=3440mm，算得sinβmax=0.685，βmax=43.24°
4转向机构优化数学模型建立
通过对我厂目前使用的转向桥分析得知，转角误差小于某一定值时，轮胎磨损就可以达标。为达到内外转向轮转角在符合阿克曼理论的前提下，尽可能减小转向液压缸推拉力的目的，采用以转角误差为约束条件，以液
4.1确定目标函数
根据对转向液压缸受力情况的分析可知，转向液压缸推拉力的大小取决于转向机构参数和轮胎转向阻力矩。在转向过程中，虽然转向阻力矩为定值，但是由于连杆与液压缸活塞杆之间的角度会发生变化，导致推力臂和拉力臂的长度不断发生变化，所以转向液压缸推拉力是一个不断变化的值。将整个转向压缸推拉力最小为目标函数的数学模型对转向机构进行优化。过程分段，求出转向液压缸推拉力的最大值，即若将整个转向过程分为100段，那么可以得到100组转向液压缸推力和拉力之和，则可得到此结构下转向液压缸推拉力之和的最大值。
4.2约束条件
关于转向桥的约束条件有很多，诸如结构形式、是否存在死点和一些变量尺寸约束等，本文重点考虑转角误差的约束条件。相关文献关于转角误差的角度要求如下：
(1)目前国产叉车转向双梯形机构的偏转角误差可以控制在3°。以内，其中设计较好的转向双梯形机构。
(2)具有良好特性的转向机构转角误差一般较小(1。～2。)，这样有利于减小转向阻力，减轻轮胎磨损嘲。
(3)转角误差分析时，一般采用给定外转角值，检查对应的内转角与理论转角的误差值，以绝对误差不超过5°。或相对误差不超过转角值的5％为理想值。
5优化结果
首先采用拉丁超立方（Latin-Hypercube）法进行1000次DOE实验，得到设计输入参数和输出参数，这样可以初步判断外轮转角误差最大值仅与油缸偏置距离在设计区域内正相关，也就是说随着油缸偏置距离增大外轮转角误差最大值变大，这样会加剧轮胎磨损；活塞杆最大行程受活塞杆长度影响最大，与其他设计参数关系不大；活塞杆推力最大值与节臂长度、节臂与桥体横向夹角关系密切；活塞杆径向力分力最大值与油缸偏距、节臂长度相关性很大；活塞杆推力的波动系数与节臂桥体之间横向夹角成负相关。
结束语
(1)根据叉车转向机构的几何特性和力学算法，确定目标函数和约束条件，采用MATLAB编程对转向机构进行优化设计。利用MATLAB在优化和作图方面的优势，既保证了机构设计的精度和速度，又运用图形使得计算结果更加直观。
参考文献
[1]农琪,谢业东.基于MATLAB的叉车曲柄滑块式转向机构的优化设计[J].制造业自动化.2010(14)
[2]张德进,李道亮.横置液压缸式转向机构优化设计[J].工程机械.2010 (06)
论文作者:张浩辰
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/17
标签：机构论文; 液压缸论文; 误差论文; 转角论文; 叉车论文; 活塞杆论文; 拉力论文; 《防护工程》2019年第5期论文;