牵引式沙漠清洁车牵引杆长度优化设计

牵引式沙漠清洁车牵引杆长度优化设计

引导式海滩清洁车辆是由拖带和椰子支撑的半悬挂式海滩清洁车辆组成的半悬挂式客车（标题简称经营装置）。由于悬挂式车床的旋转半径非常小，海滩清洁车辆的旋转距离较大，因此运行装置在行驶时会产生较大的旋转角，容易接触海滩上的干净车辆和驾驶员。如果水平张力过大，驾驶员架的误差就会较大。如果海滩上清洁车辆的诱导杆长度过长，很容易与悬挂式车床发生碰撞。如果引入杆长度过长，海滩清道的重心将移动，桥负荷过大，车轮将下沉。本文在swq18海滩清道的诱导杆上进行了优化，并得出了最佳牵引杆长度。1转向机动的参数沙滩清洁车转向图如图1所示.当驾驶员转动方向盘,拖拉机开始以O1为速度瞬心作圆周运动,沙滩清洁车以O2为速度瞬心作相应的曲线运动,如果转向角度不变,O2将不断向O1靠拢.此时,沙滩清洁车绕牵引销中心转动,拖拉机与沙滩清洁车的纵向中心线发生了偏转,其偏转的角度随作业机组继续行驶而不断增大.当作业机组作匀速稳定的圆周行驶时,拖拉机与沙滩清洁车具有相同的角速度,二者的速度瞬心交于一点O,如图2所示.此时,各轴上的车轮均保持纯滚动,若不计车轮的弹性,拖拉机与沙滩清洁车保持稳定圆周运动时,三轴上的轮胎保持纯滚动的条件是:L2≤CO¯¯¯¯¯=(L0⋅cotθ−W1/2)2+L21−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√.(1)L2≤CΟ¯=(L0⋅cotθ-W1/2)2+L12.(1)式(1)中:L0为拖拉机轴距;L1为拖拉机后轴与牵引销中心距离;L2为沙滩清洁车后轴与牵引销中心距离;θ为拖拉机转向前外轮转向角;W1为拖拉机转向节主销中心距.作业机组总长度达10m,大于一般非牵引式机动车,其转向机动性比一般机动车显得更加重要.转向机动性的重要参数为最小转向通道外圆半径、转向通道宽度.根据GB1589—2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》的要求,汽车和汽车列车(不计具有作业功能的专用装置的突出部分)必须能在同一个车辆通道圆内通过,车辆通道圆的外圆直径D1为25.00m,车辆通道圆的内圆直径D2为10.60m.根据我国JTGD20—2006《公路路线设计规范》,四级公路弯道极限最小半径为15.0m,通道宽度为3.5m.沙滩清洁车需要在场地更加狭小的停车场所掉头行驶,因此,要求最小转弯半径不大于7.0m,最大通道宽小于5.0m.沙滩清洁车理想转向关系如图3所示.转向通道宽度a为车身最外点在地面的投影所形成的外圆轨迹半径R与最内侧部位在地面上的投影所形成的内圆周轨迹半径r之差,即a=R−r.(2)a=R-r.(2)作业机组的转向通道外圆半径以拖拉机前外轮最外点计算,通道内圆半径以沙滩清洁车后内轮最内点计算,即:R=L0/sinθ+(W3−W1)/2.(3)r=(L0/tanθ−W1/2)2+L21−L22−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√−W5/2.(4)R=L0/sinθ+(W3-W1)/2.(3)r=(L0/tanθ-W1/2)2+L12-L22-W5/2.(4)式(3)～(4)中:W3为拖拉机前、后轮外宽;W5为沙滩清洁车后轮外宽.从式(2)～(4)来看,作业机组最小转弯半径和转弯通道宽只与拖拉机转向前外轮转向角、拖拉机轴距、转向主销中心距、前后轮宽有关.实际上,由于沙滩清洁车是通过拖拉机的悬挂装置挂接牵引的,因此在转向过程中必须考虑因沙滩清洁车与拖拉机的转向折弯夹角造成的干涉现象.转向折弯角过大使沙滩清洁车与拖拉机后轮干涉、碰撞,拖拉机与沙滩清洁车之间产生巨大的横向转向力使轮胎划伤或磨损,严重时造成牵引杆断裂.拖拉机转向前外轮的转向角与折弯角的关系在文献中有详细推论,计算公式为:θ=atan[L0/((L2+L1cosα)/sinα+w1/2)].(5)θ=atan[L0/((L2+L1cosα)/sinα+w1/2)].(5)式(5)中α为拖拉机与沙滩清洁车转向折弯夹角.α=γ2−γ1−3.(6)γ1=atan(W4/2/L4).(7)γ2=180−asin(W3/2/r1).(8)α=γ2-γ1-3.(6)γ1=atan(W4/2/L4).(7)γ2=180-asin(W3/2/r1).(8)式(7)～(8)中:W4为沙滩清洁车前铰座内宽;L4为沙滩清洁车牵引杆长度;r1为沙滩清洁车的前回转半径,r1=(W4/2)2+L24−−−−−−−−−−−√.r1=(W4/2)2+L42.从式(6)～(8)可以得出,拖拉机前后轮的外宽W3、沙滩清洁车前铰座内宽W4由总体设计时确定,因此影响最大转向折弯夹角的主要因素是牵引杆的长度L4.2约束非线性规划以求转向圆通道外圆半径R最小值为目标函数,以拖拉机与沙滩清洁车保持稳定圆周运动时各轴上的轮胎保持纯滚动的条件式(1)和转向通道宽度a不大于5.0m为约束条件,牵引杆长度L4为设计变量,利用Matlab求解约束非线性规划问题的数学模型求解最佳值.2.1目标函数程序2.2有限函数程序2.3优化计算主程序2.4swq18型驳岸的总体分析M文件的运行结果如下:M文件运行信息表明,牵引杆的最佳长度为0.904m,转向通道的最小转向外圆半径为6.058m,转向通道宽度不大于5.000m,满足设计要求.厦门理工学院根据上述参数设计了SWQ18型沙滩清洁车,样机测试结果表明,转向通道的最小转向外圆半径和转向通道宽度值完全吻合.3基于matlab的最优设计由于在转弯时拖拉机、沙滩清洁车之间有相对转动的夹角,计算最小转向通道外圆半径和转向通道宽度时,必须要考虑由牵引杆长度确定的最大转向折弯夹角,防止因转弯夹角过大引起拖拉机、沙滩清洁车都发生干涉、瞌碰现象.利用Matlab求解约束非线性规划问题的