牽引式沙漠清潔車牽引桿長度優(yōu)化設(shè)計

牽引式沙漠清潔車牽引桿長度優(yōu)化設(shè)計

引導(dǎo)式海灘清潔車輛是由拖帶和椰子支撐的半懸掛式海灘清潔車輛組成的半懸掛式客車（標題簡稱經(jīng)營裝置）。由于懸掛式車床的旋轉(zhuǎn)半徑非常小，海灘清潔車輛的旋轉(zhuǎn)距離較大，因此運行裝置在行駛時會產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)角，容易接觸海灘上的干凈車輛和駕駛員。如果水平張力過大，駕駛員架的誤差就會較大。如果海灘上清潔車輛的誘導(dǎo)桿長度過長，很容易與懸掛式車床發(fā)生碰撞。如果引入桿長度過長，海灘清道的重心將移動，橋負荷過大，車輪將下沉。本文在swq18海灘清道的誘導(dǎo)桿上進行了優(yōu)化，并得出了最佳牽引桿長度。1轉(zhuǎn)向機動的參數(shù)沙灘清潔車轉(zhuǎn)向圖如圖1所示.當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤,拖拉機開始以O(shè)1為速度瞬心作圓周運動,沙灘清潔車以O(shè)2為速度瞬心作相應(yīng)的曲線運動,如果轉(zhuǎn)向角度不變,O2將不斷向O1靠攏.此時,沙灘清潔車繞牽引銷中心轉(zhuǎn)動,拖拉機與沙灘清潔車的縱向中心線發(fā)生了偏轉(zhuǎn),其偏轉(zhuǎn)的角度隨作業(yè)機組繼續(xù)行駛而不斷增大.當作業(yè)機組作勻速穩(wěn)定的圓周行駛時,拖拉機與沙灘清潔車具有相同的角速度,二者的速度瞬心交于一點O,如圖2所示.此時,各軸上的車輪均保持純滾動,若不計車輪的彈性,拖拉機與沙灘清潔車保持穩(wěn)定圓周運動時,三軸上的輪胎保持純滾動的條件是:L2≤COˉˉˉˉˉ=(L0?cotθ?W1/2)2+L21?????????????????????√.(1)L2≤CΟˉ=(L0?cotθ-W1/2)2+L12.(1)式(1)中:L0為拖拉機軸距;L1為拖拉機后軸與牽引銷中心距離;L2為沙灘清潔車后軸與牽引銷中心距離;θ為拖拉機轉(zhuǎn)向前外輪轉(zhuǎn)向角;W1為拖拉機轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心距.作業(yè)機組總長度達10m,大于一般非牽引式機動車,其轉(zhuǎn)向機動性比一般機動車顯得更加重要.轉(zhuǎn)向機動性的重要參數(shù)為最小轉(zhuǎn)向通道外圓半徑、轉(zhuǎn)向通道寬度.根據(jù)GB1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》的要求,汽車和汽車列車(不計具有作業(yè)功能的專用裝置的突出部分)必須能在同一個車輛通道圓內(nèi)通過,車輛通道圓的外圓直徑D1為25.00m,車輛通道圓的內(nèi)圓直徑D2為10.60m.根據(jù)我國JTGD20—2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》,四級公路彎道極限最小半徑為15.0m,通道寬度為3.5m.沙灘清潔車需要在場地更加狹小的停車場所掉頭行駛,因此,要求最小轉(zhuǎn)彎半徑不大于7.0m,最大通道寬小于5.0m.沙灘清潔車理想轉(zhuǎn)向關(guān)系如圖3所示.轉(zhuǎn)向通道寬度a為車身最外點在地面的投影所形成的外圓軌跡半徑R與最內(nèi)側(cè)部位在地面上的投影所形成的內(nèi)圓周軌跡半徑r之差,即a=R?r.(2)a=R-r.(2)作業(yè)機組的轉(zhuǎn)向通道外圓半徑以拖拉機前外輪最外點計算,通道內(nèi)圓半徑以沙灘清潔車后內(nèi)輪最內(nèi)點計算,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為拖拉機前、后輪外寬;W5為沙灘清潔車后輪外寬.從式(2)～(4)來看,作業(yè)機組最小轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)彎通道寬只與拖拉機轉(zhuǎn)向前外輪轉(zhuǎn)向角、拖拉機軸距、轉(zhuǎn)向主銷中心距、前后輪寬有關(guān).實際上,由于沙灘清潔車是通過拖拉機的懸掛裝置掛接牽引的,因此在轉(zhuǎn)向過程中必須考慮因沙灘清潔車與拖拉機的轉(zhuǎn)向折彎夾角造成的干涉現(xiàn)象.轉(zhuǎn)向折彎角過大使沙灘清潔車與拖拉機后輪干涉、碰撞,拖拉機與沙灘清潔車之間產(chǎn)生巨大的橫向轉(zhuǎn)向力使輪胎劃傷或磨損,嚴重時造成牽引桿斷裂.拖拉機轉(zhuǎn)向前外輪的轉(zhuǎn)向角與折彎角的關(guān)系在文獻中有詳細推論,計算公式為:θ=atan[L0/((L2+L1cosα)/sinα+w1/2)].(5)θ=atan[L0/((L2+L1cosα)/sinα+w1/2)].(5)式(5)中α為拖拉機與沙灘清潔車轉(zhuǎn)向折彎夾角.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為沙灘清潔車前鉸座內(nèi)寬;L4為沙灘清潔車牽引桿長度;r1為沙灘清潔車的前回轉(zhuǎn)半徑,r1=(W4/2)2+L24???????????√.r1=(W4/2)2+L42.從式(6)～(8)可以得出,拖拉機前后輪的外寬W3、沙灘清潔車前鉸座內(nèi)寬W4由總體設(shè)計時確定,因此影響最大轉(zhuǎn)向折彎夾角的主要因素是牽引桿的長度L4.2約束非線性規(guī)劃以求轉(zhuǎn)向圓通道外圓半徑R最小值為目標函數(shù),以拖拉機與沙灘清潔車保持穩(wěn)定圓周運動時各軸上的輪胎保持純滾動的條件式(1)和轉(zhuǎn)向通道寬度a不大于5.0m為約束條件,牽引桿長度L4為設(shè)計變量,利用Matlab求解約束非線性規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型求解最佳值.2.1目標函數(shù)程序2.2有限函數(shù)程序2.3優(yōu)化計算主程序2.4swq18型駁岸的總體分析M文件的運行結(jié)果如下:M文件運行信息表明,牽引桿的最佳長度為0.904m,轉(zhuǎn)向通道的最小轉(zhuǎn)向外圓半徑為6.058m,轉(zhuǎn)向通道寬度不大于5.000m,滿足設(shè)計要求.廈門理工學(xué)院根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計了SWQ18型沙灘清潔車,樣機測試結(jié)果表明,轉(zhuǎn)向通道的最小轉(zhuǎn)向外圓半徑和轉(zhuǎn)向通道寬度值完全吻合.3基于matlab的最優(yōu)設(shè)計由于在轉(zhuǎn)彎時拖拉機、沙灘清潔車之間有相對轉(zhuǎn)動的夾角,計算最小轉(zhuǎn)向通道外圓半徑和轉(zhuǎn)向通道寬度時,必須要考慮由牽引桿長度確定的最大轉(zhuǎn)向折彎夾角,防止因轉(zhuǎn)彎夾角過大引起拖拉機、沙灘清潔車都發(fā)生干涉、瞌碰現(xiàn)象.利用Matlab求解約束非線性規(guī)劃問題的