作圖法校核自走直臂式高空作業平臺轉向桿系的設計

羅鑒

摘 要：本文針對用計算法及用專業軟件校核自走直臂式高空作業平臺轉向桿系存在的不足，結合CAD軟件的普及，提出用作圖法校核，而作圖法相比較于上述方法，也更加簡便、直觀、高效。本文旨在在嚴謹的邏輯推理的前提下，為相關設計人員提供一種更適合設計人員獨立完成的校核方式。

關鍵詞：自走直臂式高空作業平臺；偏轉轉向輪；轉向桿系；作圖法

中圖分類號：TH211 文獻標識碼：A

自走直臂式高空作業平臺（以下簡述為高空作業平臺）是輸送作業人員到高空作業的特種設備，主要用在造船廠、建筑工地、橋梁及高架建設，作業高度也主要集中在20m～45m之間，是現代化作業中重要的輔助設備。

轉向桿系作為高空作業平臺轉向系統的重要部件，其設計的合理與否直接關乎車輛的轉向性能及高空作業人員的安全。所以如何準確校核及提升轉向系統的性能，是高空作業平臺設計時非常重要的一環。

車輪式高空作業平臺的轉向采用轉動轉向輪的方式，該轉向的技術要點是轉向時為避免車輪出現滑動或拖動等缺陷，要求所有的車輪須作純滾動運動，為此，車輛轉向時必須使所有車輪的軸線須交于一點，

即瞬時轉向中心，如圖1所示的O點。

注：α、β——外側、內側車輪偏轉角；

M、 L——主銷中心距及軸距。

高空作業平臺的轉向桿系大多采用雙梯形機構，要想確認該類機構設計的合理與否，須依據其桿件的幾何參數是否能滿足圖1。

目前市場上的高空作業平臺的雙梯形機構的偏轉角誤差大多控制在3°以內，但比較遺憾的是國內的有些廠家由于起步晚，技術積累薄弱，又缺少相關的專業人員，導致這方面做得并不是很好，甚至有些在模仿了國外品牌之后，由于結構的局部調整，把轉向機構改得面目全非，這對車輛的后續使用是有很大隱患的。

日本AICHI公司生產的ZSP系列產品在國內的占有率一直在30%以上，其中，轉向系統被堪稱典范，以ZSP25B為例，其最大轉角誤差只有1.2°，這是非常了不起的，當然，這么小的轉角誤差無疑需要幾代產品的持續優化才能做到這么精準。

在計算機還不普及的年代，我們的先輩多采用解析法來論證，通過公式一步一步地解析，雖然解析法在理論上很準確，但公式復雜，步驟煩瑣，每個瞬時轉角，分別需要幾十組計算公式來對應，需要極大的工作量，而且容易出錯；到如今，特別是一些大企業，基本上都有開發專業的校核軟件，只要輸入轉向桿系的基本參數，就能對現有機構進行校核，但缺點是需要有專業的計算機人員參與，單憑機械設計人員很難獨立完成。

隨著CAD軟件的普及，作圖法的優勢也越來越得到顯現，而作圖法相比較于其他方法，也更加簡便、直觀、高效。現在，越來越多的設計人員傾向于選擇CAD制圖軟件來完成這些校核工作了。

下面我們以市場上熱銷的ZSP25B為例，首先，將ZSP25B的車輪主銷中心距、軸距、輪距及轉向桿系的各關鍵點位在模型中按比例畫好，如圖2所示。

為方便表述，我們先以外轉向輪偏轉25.5°時的狀態為例，來解說內轉角誤差是如何通過作圖法計算出來的。

如圖3所示，車輪轉向是通過伸、縮轉向油缸ZE的長度來實現的，桿件O1O2是車架體的一部分，是固定件，連桿OC、OD、OE是焊接成一體，可以繞圓心O轉動的回轉環，每當伸、縮轉向油缸ZE的長度時，OC、OD、OE會一起繞圓心O轉動，繼而帶動其他連桿一起運動。

外轉向輪以O1為圓心順時針旋轉25.5°時，帶動轉向節上的連桿O1A繞圓心O1同方向旋轉25.5°到O1A1處， O1A的轉動勢必會帶動AC做相應的運動，此時，以A點為圓心，AC為半徑，作圓弧2，并以圓心A為中心將圓弧復制到A1處，定義為圓弧3，此時的圓弧3會與圓弧4相交于一點，該點位就是C點被旋轉25.5°時的新點位C1，同時，由于連桿OC、OD、OE是一體的，所以D點也同樣會旋轉相同的角度到D1處，這樣，左側轉向拉桿及中心回轉環分別轉到了新的位置，而中心回轉環的轉動繼而會帶動右側轉向拉桿做相應的運動，此時，再以D點為圓心，BD為半徑，作圓弧5，并以D點為圓心將圓弧5中心復制到D1處，，定義為圓弧6，此時的圓弧6會與圓弧7相交于一點，而該交點就是轉向節點B被旋轉后的新點位B1，內轉向輪在被拉桿BE拉動的情況下，以O2為圓心，旋轉與O2B同樣的角度，該角度就是內轉向輪實際轉動的角度，經實測該角度為35.39°，再將內、外轉向輪軸心線延伸到后輪的延長線上，分別交于后輪延長線的X、Y兩點，用線條連接X、O2兩點，此時得到的角度∠XO2Y=0.59°就是內轉向輪的轉角誤差。即當外轉向輪轉動25.5°時，內轉向輪實際轉動35.39°，內轉向輪轉角誤差為0.59°。

雖然角度∠XO2Y=0.59°直管、易懂，但轉向輪的軸心線往往要延長到很遠才能與后輪軸相交，這樣勢必會占用較大的圖幅，所以我們還需要按以下步驟做如下轉換。

通過CAXA軟件中的“鏡像”功能將內轉向輪軸心線以O1O2為對稱軸對稱到另外一側，并運用“延長”功能將其延長到OO3線上，相交于點F1，此時圖3上所示的F點為外轉向輪軸心線與OO3線相交點，然后連接F、O22點，那么所形成的夾角∠FO2F1=0.59°，即為轉換后的內轉向輪的轉角誤差。

上述只是分析了在某一個轉角狀態下的情形，實際上，外轉角從0°到25.5°的區間內，是由無數個瞬時轉角連續串聯而成的，轉角誤差也是在瞬時變化的。雖然我們無法利用作圖法將所有的瞬時轉角都校核一遍，但我們可以利用取點法，將連續的旋轉角近似地看成是由N個轉角狀態串聯而成的，然后運用作圖法分別模擬出每一個轉角狀態。當然，當轉向角區間模擬的越精細的話，計算出來的轉角誤差也會越精準。

我們運用CAXA軟件中的“角等分線”功能，將25.5°等分為10等分或更多等分，每一等分線的位置代表一種轉向狀態，然后運用上述的作圖法依次計算出每個轉角的轉角誤差。待作圖完成后，將數據記錄到表1所示的表格中。

結語

通過上述實例，我們看到用作圖法來校核，可以使過程更加高效、簡便。設計人員只需將轉向桿系理解為一套平面連桿機構，在掌握了各個節點的運動關系后，用作圖法模擬出來即可。通過該方式即可繞開煩瑣的解析法，就能輕松、獨立地完成整個校核工作。而且整個推理也淺顯易懂，相關設計人員能容易掌握，該方式很值得推廣。

參考文獻

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