液压转盘转向机构的运动学及动力学分析

　　0　引言

　　随着汽车工业和液压控制技术的发展,越来越多的液压控制装置应用于汽车。液压转盘转向是一种专用车辆上应用的转向方式,特别适用于要求转向轮距较小的专用车辆(如矿用拖车、大型玻璃运输车等),并逐渐成为一种可靠有效的液压转向方式。

　　1　液压转盘转向机构

　　液压转盘转向机构由液压缸、转盘、车轮、车轴和铰链组成。液压缸采用双作用液压缸,转盘由上转盘和下转盘组成,上转盘与车身固定连接,下转盘与转向车轮连接,上下转盘之间安装滚子和钢球,使上下转盘可以相对转动,如图1所示。

　　此液压转盘转向机构应满足:

　　(1)系统构成。在满足液压机构工作要求和使用条件下,要使用元件最少、最简单的系统。

　　(2)技术性能。包括调整液压缸动力、动作平稳性、同步性等。

　　2　液压转盘机构运动学分析

　　液压传动靠液压机构来实现,组成该机构的运动副都是采用低副,如图2所示,液压机构自由度为:

　　其中n为运动件数, PL为低副个数, PH为高副个数。

　　液压机构的受力和运动与主动件的受力和运动有关,而主动件的状态是车辆转向时,液压缸带动转盘转动而引起的。机构中液压缸采用双作用液压缸,液压缸二铰接点间的长度是可变的,因此液压缸在不同位置将有不同的速度、加速度及角速度。

　　以C点为原点建立运动学数学模型,如图2所示,建立其矢量表达式:

　　其中:L3为液压缸方向上的矢量,液压缸和活塞杆的角度运动情况相同。可以得到矢量方程的两个分量表达式:

　　为求液压缸的位移、速度、角速度,式(2)对时间求一阶导数后得:

　　假设连杆的输入角速度ω2已知,则转化为矩阵形式为:

　　利用SIMULINK进行仿真分析,连杆角速度为输入量,根据式(4),编制M函数。在仿真运行之前,杆(转盘)的初试位置为θ2=0,ω2=0·5rad/s,并设定L1=1 000mm,L2=500mm,求出L3=1 180mm,θ3=63·435°。连杆的转速为0·5rad/s,每转动一周的时间为12·56s,设置仿真时间为15s。建立系统仿真框图,如图3所示。

　　通过仿真可以得到液压缸的长度、速度、角速度随时间(转盘转角)的变化曲线,如图4所示。在不考虑液压缸行程范围条件下,液压缸的长度变化、速度变化、角度变化曲线近似正弦曲线,并呈周期性变化,而液压缸的加速度变化在一段时间内变化比较迅速,角速度大于0·3rad/s的持续时间很短。另外可以利用仿真得到各变量随转盘转角的变化曲线。