一种快速准确的运动分析方法研究

石兆勇，苏丽亚

(1.泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000；2.山东泰开变压器有限公司，山东泰安 271000)



一种快速准确的运动分析方法研究

石兆勇1，苏丽亚2

(1.泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000；2.山东泰开变压器有限公司，山东泰安 271000)

摘要：以某液压自动翻转备胎架为例，介绍一种快速准确的运动分析方法，即数模分析法，通过与传统的作图法、几何分析法对比分析，可验证该方法能快速准确地解决涉及运动几何变量的分析计算问题。

关键词：数模分析法；作图法；几何分析法

0引言

目前超重型车辆使用的轮胎多数质量比较大，而靠人力翻转的备胎架装卸使用比较费力，研制一种使用外力自动翻转的备胎架非常有必要。文中所介绍的是一种利用四连杆机构实现液压自动翻转的备胎架，它是由转向液压系统提供动力，来控制备胎架翻转油缸伸缩，进而动力通过四连杆机构传递到备胎，实现备胎升降。

1问题提出

该备胎架系统设计中非常重要的一点是备胎翻转运动过程中需要的压力必须小于转向液压系统所能提供的压力，并且要预留一定的安全余量。

如图1，通过力矩平衡原理，可计算得出备胎翻转过程中油缸所需的最大压力F为：

图中：A、B为旋转点，L2为备胎重心距点A的垂直距离，L3为连杆中心线距点A的垂直距离，L4为连杆中心线距点B的垂直距离，L5为油缸中心线距点B的垂直距离，其中G为备胎的重力，S为油缸活塞作用面积。针对同一轮胎和油缸两者皆为常数，因而备胎架翻转所需要压力取决于L2、L3、L4、L5的变化。然而在翻转过程中如何找出压力最大点呢？

图1　备胎翻转示意图

2解决方法对比

2.1作图法

传统的方法是采用作图法模拟备胎翻转过程，比如可以将5°作为单位递增量翻转直至备胎落地位置，根据上述公式计算出各点的油缸压力，找出其中最大压力。如图2所示为备胎架翻转到某一角度后通过AutoCAD测量所需的L2、L3、L4、L5，然后代入公式计算可得出备胎架翻转所需要的压力。这种方法的弊端是需要做出很多运动过程的几何图，费时又容易出错。

图2　作图法计算备胎架翻转所需压力

2.2几何分析法

根据备胎架结构的几何关系，分析推理出油缸所需压力与备胎翻转角度的关系式，将L2、L3、L4、L5转化为以翻转角度为单独变量来表示的关系式，然后借助EXCEL电子表格分析可得油缸压力，如图3所示。这种方法的弊端是推理几何公式相当复杂，难度较高，而且费时又容易出错。

图3　几何分析法计算备胎翻转压力

2.3数模分析法

借助三维数模软件SolidWorks，建立相关尺寸的草图模型。如图4所示，将备胎翻转角度等尺寸定义为驱动尺寸，即黑色字体显示的尺寸；将L2、L3、L4、L5等尺寸定义为从动尺寸，即灰色字体显示的尺寸。在草图旁边画一条直线，利用SolidWorks的方程式功能将直线尺寸用L2、L3、L4、L5表示为：“=2800*"D2@草图1"*"D4@草图1"/"D3@草图1"/"D5@草图1"/3768”，如图4示例，在翻转角度50°时液压系统需要的压力为1.14 MPa。采用数模分析法，软件可自动寻找出油缸压力与备胎翻转角度的关系，免去了人工推理分析几何关系的过程，而且软件中点击数值递变按钮调整翻转角度，油缸压力值也即时变化，也就省去了人工录入EXCEL表格再计算的繁琐过程。

图4　数模分析法计算备胎翻转压力

3结束语

通过将数模分析法与传统的作图法、几何分析法对比分析，可验证该方法能快速准确地解决涉及运动几何变量的分析计算问题。借鉴举一反三的思想，采用数模分析法，还可以解决诸如此类各种涉及运动变化的几何关系计算的问题，比如转向梯形的优化设计、计算等。只要运用得当，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

作者简介：石兆勇(1984—)，男，本科,工程师，研究方向为特种车总体设计。E-mail:shizhaoyong@139.com。

中图分类号:TB11

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)01-051-02