马勒里式举升机构优化设计

基于ADAMS的自卸车举升机构的仿真优化
自卸车是装有由本车发动机驱动的液压举升机构，能将车厢卸下，或将车厢倾斜一定角度卸货，并靠自重使车厢自行回位的专用汽车。

随着生产力的发展，货物运输合理化和装卸机构机械化的要求，自卸车得到了很快的发展，并且日趋完善。

举升机构是自卸车的核心机构，它直接关系到自卸车的整车及举升性能。

根据用户的特殊要求，举升机构有不同的结构形式和性能指标。

对于举升机构的设计，最早的方法是类比作图试凑法，但这种方法盲目性大，需多次作图试凑，工作量大，而且设计精度较差。

随着计算机技术的飞速发展，解析法和矩阵变换算法相继产生，但是它们都得进行繁琐的计算和编程。

近些年发展起来的虚拟样机技术，融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，能大大缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，全面提高面向客户与市场需求的能力。

以虚拟设计思想、复杂运动学和动力学基本理论方法以及拓扑技术为
基础，计算机数字虚拟环境下进行的多体系统运动学和动力学的仿真分
析，已经得到许多虚拟样机分析软件的强力支持。

目前在这一领域，使
用最多的产品是美国MSC公司在多体系统领域的标志产品
MSC.ADAMS。

本文利用ADAMS对马勒里举升臂式(油缸前推连杆组合
式)机构进行了优化设计。

首先利用ADAMS/View模块建立了举升机构
简化物理模型，然后对该物理模型进行了仿真，最后使用ADAMS/Insight
模块以液压油缸最大推力最小为优化目标，对机构中部分铰接点位置进
行了优化计算。

优化后液压缸的最大推力比优化前有了很大幅度的降低，
这对提高举升机构的性能有着重要作用。

举升机构的建模与仿真
1.物理模型的简化
建立自卸车举升机构物理模型前，必须先对举升机构进行合理的简化。

从汽车动力学的角度出发，对所建模型做如下简化和假设：举升机构为
一多刚体系统，每个刚体在各个方向的惯性力均为零；由于某些铰链在
一些方向的力的约束真值比较小，对整车动力学的影响可以忽略不计，
假设其为零；外形几何尺寸只需满足可视化效果，对仿真没有实质影响，
因此建模时只需给定一固定值即可。

简化后的举升机构物理模型如图1
所示。

2.举升机构的建模
仿真模型的建立，首先需要确定设计点的坐标。

设计点是各零件之间
连接处的关键几何定位点，确定设计点就是在系统坐标系中给出零件之间连接点的几何位置。

模型设计点的空间位置坐标和相互关系是建立仿真模型的关键，该举升机构设计点的坐标值如表1所示，举升质量为20000kg。

基于前面举升机构物理模型的简化，根据表1提供的设计点的坐标参数值，在ADAMS/View模块中建立
了自卸车举升机构的虚拟仿真模型，如图2所示。

在建模过程中，视车架为大地，举升机构在O、O2、O3与车架相连。

模型中包括：油缸缸体、油缸推杆、三角臂、拉杆、车厢等5个部件，油缸缸体与车架之间、连杆与车架之间、车厢后支座与车架之间以及油缸推杆与三角臂、连杆与三角臂、车厢与三角臂之间等6个旋转副，油缸推杆与油缸缸体之间的1个圆柱副。

3.举升机构的仿真
借助ADAMS进行运动仿真分析主要包括：
①干涉分析，研究举升机构各个构件在举升过程中有无运动干涉，受力是否合理；②运动分析，是否完成预期的运动(即能否完成自卸)，在运动仿真过程中有无参数值的突变、仿真的骤停；③设置仿真输出，使用ADAMS/Post Processor对样机各点的受力情况进行分析，输出样机的主要设计指标——举升力和举升角之间的关系曲线，并与经验数据曲线进行比较，看是否符合设计要求。

在油缸推杆与油缸缸体之间的圆柱副上面添加一个直线驱动，直线驱
动的函数为F=10.0Xtime。

为了表示油缸推力与车厢举升角之间的关系，需要建立一个测量车厢
举升角的函数，即
θ＝Measure_Function=MEA_ANGLE_1
设置仿真时间为61s，仿真步数为50步，对举升机构进行仿真。

经过仿真分析可知：样机模型从开始运动到运动结束的举升过程中无运动干涉，举升力曲线没有突变。

在ADAMS/Post Processor中输出油缸推力曲线，如图3所示，油缸推力呈现先增大，后减小的趋势。

油缸推力的低范围增大是由于油缸开始工作时需要克服举升机构各部件之间的摩擦力。

之后由于车厢举升角的不断增大，举升质量的质心到车厢后支座的水平距离不断减小，举升阻力矩随之减小，使得油缸推力也逐渐减小。

油缸推力的初始值为387.09kN；当车厢举升角上升为为3.7°时，油缸推力出现最大值，为415.33kN，与以往经验相比，该油缸最大推力值较大。

自卸车举升机构优化设计
ADAMS优化设计必须给定目标函数、优化变量和约束条件。

1.目标函数
液压油缸是整个自卸车举升机构的核心元件之一，主要作用是通过举升车厢实现卸货功能。

设计时，举升液压缸的选择依据是最大举升力Fmax和液压系统预先给出的最高压力。

最大举升力由公式(1)确定。

(1)式中，η—液压系统的效率，通常取η＝0.8；d—举升液压缸活塞直径( m)。

由(1)式可得(2)
由(2)式可知，当液压油缸的最高压力选定之后，设计时需要选择的油缸活塞直径随着最大举升力的减小
而减小，这对自卸车自重轻型化有着重要的影响。

针对本例中液压油缸最大推力值较大的问题，本文选取油缸最大推力值最小为优化设计的目标函数，即
Objective_Function=MinFmax
ADAMS在给定优化目标时无需直接推导设计目标与设计变量之间的具体关系，也不必编写程序，而是由ADAMS提供的测量工具直接获取。

2 .优化变量
理论上，ADAMS/Insight模块可以对模型中的所有设计点进行优化设计。

当各点的坐标变化时，结构和杆件的尺寸也发生相应的改变，系统会自动修改模型，不需要人工干预，提高了优化效率。

本文模型中的设计点有左右侧O点、A点、B点、C点、O2点、O3 点共7个点。

左右侧O点表示的是车厢在自卸车车架上的安装位置，这两个点关于车厢纵向轴线对称，若位置有所改变，会对车厢的举升稳定性造成影响，有可能发生侧翻现象，所以本文将不对这两点进行优化设计；A点、B点、C点为三角臂和其它构件的连接点，同时改变这三个点，三角臂的形状和结构也会改变，会增加生产成本，本文中只改变三角臂中的一个铰接点即A点的位置，对该铰接点的位置进行优化，同时不会改变三角臂的形状和结构；O2点、O3点分别为连杆与车架之间、油缸缸体与车架之间的连接铰点，合理安排这两个铰接点的位置会对举升力产生重要的影响，因此本文把这两点也列为优化变量。

3.约束条件
自卸汽车举升角定义为车厢相对于车架的转动角。

根据这一定义，最大举升角即为前面定义的测量车厢举升角的函数θ的最大值。

为了使自卸车能将货物卸干净，最大举升角应大于货物的安息角。

常见货物安息角如表2所示。

本文优化设计时取最大举升角为50°。

另外，若优化过程中出现液压油缸最大推力大于初次仿真时的最大推力415.33kN，则没有继续仿真下去的必要。

为防止这一情况出现，需对液压油缸的最大推力加以限定。

综上，建立约束条件为：
其中，θmax为最大举升角，Fmax为优化过程中液压油缸最大推力，F0max为初次仿真时液压油缸最大推力。

举升机构优化计算与结果分析
利用ADAMS/Insight模块，可以设计复杂的试验方案，用来测定机械系统的性能，可以进行单目标或多目标优化。

在该模块，本文对自卸车举升机构模型的A点、O2点、O3点等三个坐标点的6个坐标值进行优化，根据约束条件设定的范围，选取液压油缸最大推力最小为优化目标，进行32次迭代计算，通过试验筛选，找出一个最优的试验结果。

优化前后举升机构优化点坐标值如表3所示，油缸推力曲线如图4所示。

最大推力由415.33kN减小至
292.15kN，下降了29.65 %；起始处举升力由387.09kN减小至229.65kN，下降了40.67%。

优化前举升力随举升角的变化波动较大；优化后，举升力曲线走势平缓，较为理想。