一種快速準(zhǔn)確的運(yùn)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)

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一種快速準(zhǔn)確的運(yùn)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(zhuǎn)備胎架為例，介紹一種快速準(zhǔn)確的運(yùn)動分析方法，即數(shù)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(yàn)證該方法能快速準(zhǔn)確地解決涉及運(yùn)動幾何變量的分析計算問題。

關(guān)鍵詞：數(shù)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(shù)質(zhì)量比較大，而靠人力翻轉(zhuǎn)的備胎架裝卸使用比較費(fèi)力，研制一種使用外力自動翻轉(zhuǎn)的備胎架非常有必要。文中所介紹的是一種利用四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液壓自動翻轉(zhuǎn)的備胎架，它是由轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)提供動力，來控制備胎架翻轉(zhuǎn)油缸伸縮，進(jìn)而動力通過四連桿機(jī)構(gòu)傳遞到備胎，實(shí)現(xiàn)備胎升降。

1問題提出

該備胎架系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的一點(diǎn)是備胎翻轉(zhuǎn)運(yùn)動過程中需要的壓力必須小于轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)所能提供的壓力，并且要預(yù)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(zhuǎn)過程中油缸所需的最大壓力F為：

圖中：A、B為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，L2為備胎重心距點(diǎn)A的垂直距離，L3為連桿中心線距點(diǎn)A的垂直距離，L4為連桿中心線距點(diǎn)B的垂直距離，L5為油缸中心線距點(diǎn)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(shù)，因而備胎架翻轉(zhuǎn)所需要壓力取決于L2、L3、L4、L5的變化。然而在翻轉(zhuǎn)過程中如何找出壓力最大點(diǎn)呢？

圖1　備胎翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程，比如可以將5°作為單位遞增量翻轉(zhuǎn)直至備胎落地位置，根據(jù)上述公式計算出各點(diǎn)的油缸壓力，找出其中最大壓力。如圖2所示為備胎架翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)所需要的壓力。這種方法的弊端是需要做出很多運(yùn)動過程的幾何圖，費(fèi)時又容易出錯。

圖2　作圖法計算備胎架翻轉(zhuǎn)所需壓力

2.2幾何分析法

根據(jù)備胎架結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，分析推理出油缸所需壓力與備胎翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系式，將L2、L3、L4、L5轉(zhuǎn)化為以翻轉(zhuǎn)角度為單獨(dú)變量來表示的關(guān)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(dāng)復(fù)雜，難度較高，而且費(fèi)時又容易出錯。

圖3　幾何分析法計算備胎翻轉(zhuǎn)壓力

2.3數(shù)模分析法

借助三維數(shù)模軟件SolidWorks，建立相關(guān)尺寸的草圖模型。如圖4所示，將備胎翻轉(zhuǎn)角度等尺寸定義為驅(qū)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(zhuǎn)角度50°時液壓系統(tǒng)需要的壓力為1.14 MPa。采用數(shù)模分析法，軟件可自動尋找出油缸壓力與備胎翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，免去了人工推理分析幾何關(guān)系的過程，而且軟件中點(diǎn)擊數(shù)值遞變按鈕調(diào)整翻轉(zhuǎn)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(shù)模分析法計算備胎翻轉(zhuǎn)壓力

3結(jié)束語

通過將數(shù)模分析法與傳統(tǒng)的作圖法、幾何分析法對比分析，可驗(yàn)證該方法能快速準(zhǔn)確地解決涉及運(yùn)動幾何變量的分析計算問題。借鑒舉一反三的思想，采用數(shù)模分析法，還可以解決諸如此類各種涉及運(yùn)動變化的幾何關(guān)系計算的問題，比如轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計、計算等。只要運(yùn)用得當(dāng)，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?yàn)樘胤N車總體設(shè)計。E-mail:shizhaoyong@139.com。

中圖分類號:TB11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)01-051-02