一種快速準確的運動分析方法研究

石兆勇，蘇麗亞

(1.泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000；2.山東泰開變壓器有限公司，山東泰安 271000)

?

一種快速準確的運動分析方法研究

石兆勇1，蘇麗亞2

(1.泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000；2.山東泰開變壓器有限公司，山東泰安 271000)

摘要：以某液壓自動翻轉備胎架為例，介紹一種快速準確的運動分析方法，即數模分析法，通過與傳統(tǒng)的作圖法、幾何分析法對比分析，可驗證該方法能快速準確地解決涉及運動幾何變量的分析計算問題。

關鍵詞：數模分析法；作圖法；幾何分析法

0引言

目前超重型車輛使用的輪胎多數質量比較大，而靠人力翻轉的備胎架裝卸使用比較費力，研制一種使用外力自動翻轉的備胎架非常有必要。文中所介紹的是一種利用四連桿機構實現液壓自動翻轉的備胎架，它是由轉向液壓系統(tǒng)提供動力，來控制備胎架翻轉油缸伸縮，進而動力通過四連桿機構傳遞到備胎，實現備胎升降。

1問題提出

該備胎架系統(tǒng)設計中非常重要的一點是備胎翻轉運動過程中需要的壓力必須小于轉向液壓系統(tǒng)所能提供的壓力，并且要預留一定的安全余量。

如圖1，通過力矩平衡原理，可計算得出備胎翻轉過程中油缸所需的最大壓力F為：

圖中：A、B為旋轉點，L2為備胎重心距點A的垂直距離，L3為連桿中心線距點A的垂直距離，L4為連桿中心線距點B的垂直距離，L5為油缸中心線距點B的垂直距離，其中G為備胎的重力，S為油缸活塞作用面積。針對同一輪胎和油缸兩者皆為常數，因而備胎架翻轉所需要壓力取決于L2、L3、L4、L5的變化。然而在翻轉過程中如何找出壓力最大點呢？

圖1　備胎翻轉示意圖

2解決方法對比

2.1作圖法

傳統(tǒng)的方法是采用作圖法模擬備胎翻轉過程，比如可以將5°作為單位遞增量翻轉直至備胎落地位置，根據上述公式計算出各點的油缸壓力，找出其中最大壓力。如圖2所示為備胎架翻轉到某一角度后通過AutoCAD測量所需的L2、L3、L4、L5，然后代入公式計算可得出備胎架翻轉所需要的壓力。這種方法的弊端是需要做出很多運動過程的幾何圖，費時又容易出錯。

圖2　作圖法計算備胎架翻轉所需壓力

2.2幾何分析法

根據備胎架結構的幾何關系，分析推理出油缸所需壓力與備胎翻轉角度的關系式，將L2、L3、L4、L5轉化為以翻轉角度為單獨變量來表示的關系式，然后借助EXCEL電子表格分析可得油缸壓力，如圖3所示。這種方法的弊端是推理幾何公式相當復雜，難度較高，而且費時又容易出錯。

圖3　幾何分析法計算備胎翻轉壓力

2.3數模分析法

借助三維數模軟件SolidWorks，建立相關尺寸的草圖模型。如圖4所示，將備胎翻轉角度等尺寸定義為驅動尺寸，即黑色字體顯示的尺寸；將L2、L3、L4、L5等尺寸定義為從動尺寸，即灰色字體顯示的尺寸。在草圖旁邊畫一條直線，利用SolidWorks的方程式功能將直線尺寸用L2、L3、L4、L5表示為：“=2800*"D2@草圖1"*"D4@草圖1"/"D3@草圖1"/"D5@草圖1"/3768”，如圖4示例，在翻轉角度50°時液壓系統(tǒng)需要的壓力為1.14 MPa。采用數模分析法，軟件可自動尋找出油缸壓力與備胎翻轉角度的關系，免去了人工推理分析幾何關系的過程，而且軟件中點擊數值遞變按鈕調整翻轉角度，油缸壓力值也即時變化，也就省去了人工錄入EXCEL表格再計算的繁瑣過程。

圖4　數模分析法計算備胎翻轉壓力

3結束語

通過將數模分析法與傳統(tǒng)的作圖法、幾何分析法對比分析，可驗證該方法能快速準確地解決涉及運動幾何變量的分析計算問題。借鑒舉一反三的思想，采用數模分析法，還可以解決諸如此類各種涉及運動變化的幾何關系計算的問題，比如轉向梯形的優(yōu)化設計、計算等。只要運用得當，就能起到事半功倍的效果。

A Fast and Accurate Method of Motion Analysis

SHI Zhaoyong1, SU Liya2

(1.Tai’an Aerospace Special Vehicle Co.,Ltd.，Tai’an Shandong 271000,China;2.Shandong Taikai Transformer Co., Ltd., Tai’an Shandong 271000,China)

Abstract:Taking a hydraulic automatic turning spare tire frame as an example, a fast and accurate method of motion analysis was introduced, that was numerical simulation method.It was verified that this method can be used to quickly and accurately solve the problem of the analysis and calculation of kinematic variables by comparison with drawing method and geometric analysis method.

Keywords:Numerical simulation method; Drawing method; Geometric analysis method

收稿日期：2015-08-15

作者簡介：石兆勇(1984—)，男，本科,工程師，研究方向為特種車總體設計。E-mail:shizhaoyong@139.com。

中圖分類號:TB11

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)01-051-02