作图法校核自走直臂式高空作业平台转向杆系的设计

摘 要：本文对用计算法及用专业软件校核自走直臂式高空作业平台转向杆系存在的不足，结合CAD软件的普及，提出用作图法校核，而作图法相比较于上述方法，也更加简便、直观、高效。本文旨在在严谨的逻辑推理的前提下，为相关设计人员提供一种更适合设计人员独立完成的校核方式。

关键词：自走直臂式高空作业平台；偏转转向轮；转向杆系；作图法

中图分类号：TH211 文献标识码：A

自走直臂式高空作业平台（以下简述为高空作业平台）是输送作业人员到高空作业的特种设备，主要用在造船厂、建筑工地、桥梁及高架建设，作业高度也主要集中在20m～45m之间，是现代化作业中重要的辅助设备。

转向杆系作为高空作业平台转向系统的重要部件，其设计的合理与否直接关乎车辆的转向性能及高空作业人员的安全。所以如何准确校核及提升转向系统的性能，是高空作业平台设计时非常重要的一环。

车轮式高空作业平台的转向采用转动转向轮的方式，该转向的技术要点是转向时为避免车轮出现滑动或拖动等缺陷，要求所有的车轮须作纯滚动运动，为此，车辆转向时必须使所有车轮的轴线须交于一点，

即瞬时转向中心，如图1所示的O点。

注：α、β――外侧、内侧车轮偏转角；

M、 L――主销中心距及轴距。

高空作业平台的转向杆系大多采用双梯形机构，要想确认该类机构设计的合理与否，须依据其杆件的几何参数是否能满足图1。

目前市场上的高空作业平台的双梯形机构的偏转角误差大多控制在3°以内，但比较遗憾的是国内的有些厂家由于起步晚，技术积累薄弱，又缺少相关的专业人员，导致这方面做得并不是很好，甚至有些在模仿了国外品牌之后，由于结构的局部调整，把转向机构改得面目全非，这对车辆的后续使用是有很大隐患的。

日本AICHI公司生产的ZSP系列产品在国内的占有率一直在30%以上，其中，转向系统被堪称典范，以ZSP25B为例，其最大转角误差只有1.2°，这是非常了不起的，当然，这么小的转角误差无疑需要几代产品的持续优化才能做到这么精准。

在计算机还不普及的年代，我们的先辈多采用解析法来论证，通过公式一步一步地解析，虽然解析法在理论上很准确，但公式复杂，步骤烦琐，每个瞬时转角，分别需要几十组计算公式来对应，需要极大的工作量，而且容易出错；到如今，特别是一些大企业，基本上都有开发专业的校核软件，只要输入转向杆系的基本参数，就能对现有机构进行校核，但缺点是需要有专业的计算机人员参与，单凭机械设计人员很难独立完成。

随着CAD软件的普及，作图法的优势也越来越得到显现，而作图法相比较于其他方法，也更加简便、直观、高效。现在，越来越多的设计人员倾向于选择CAD制图软件来完成这些校核工作了。

下面我们以市场上热销的ZSP25B为例，首先，将ZSP25B的车轮主销中心距、轴距、轮距及转向杆系的各关键点位在模型中按比例画好，如图2所示。

为方便表述，我们先以外转向轮偏转25.5°时的状态为例，来解说内转角误差是如何通过作图法计算出来的。

如图3所示，车轮转向是通过伸、缩转向油缸ZE的长度来实现的，杆件O1O2是车架体的一部分，是固定件，连杆OC、OD、OE是焊接成一体，可以绕圆心O转动的回转环，每当伸、缩转向油缸ZE的长度时，OC、OD、OE会一起绕圆心O转动，继而带动其他连杆一起运动。

外转向轮以O1为圆心顺时针旋转25.5°时，带动转向节上的连杆O1A绕圆心O1同方向旋转25.5°到O1A1处， O1A的转动势必会带动AC做相应的运动，此时，以A点为圆心，AC为半径，作圆弧2，并以圆心A为中心将圆弧复制到A1处，定义为圆弧3，此时的圆弧3会与圆弧4相交于一点，该点位就是C点被旋转25.5°时的新点位C1，同时，由于连杆OC、OD、OE是一体的，所以D点也同样会旋转相同的角度到D1处，这样，左侧转向拉杆及中心回转环分别转到了新的位置，而中心回转环的转动继而会带动右侧转向拉杆做相应的运动，此时，再以D点为圆心，BD为半径，作圆弧5，并以D点为圆心将圆弧5中心复制到D1处，，定义为圆弧6，此时的圆弧6会与圆弧7相交于一点，而该交点就是转向节点B被旋转后的新点位B1，内转向轮在被拉杆BE拉动的情况下，以O2为圆心，旋转与O2B同样的角度，该角度就是内转向轮实际转动的角度，经实测该角度为35.39°，再将内、外转向轮轴心线延伸到后轮的延长线上，分别交于后轮延长线的X、Y两点，用线条连接X、O2两点，此时得到的角度∠XO2Y=0.59°就是内转向轮的转角误差。即当外转向轮转动25.5°时，内转向轮实际转动35.39°，内转向轮转角误差为0.59°。

虽然角度∠XO2Y=0.59°直管、易懂，但转向轮的轴心线往往要延长到很远才能与后轮轴相交，这样势必会占用较大的图幅，所以我们还需要按以下步骤做如下转换。

通过CAXA软件中的“镜像”功能将内转向轮轴心线以O1O2为对称轴对称到另外一侧，并运用“延长”功能将其延长到OO3线上，相交于点F1，此时图3上所示的F点为外转向轮轴心线与OO3线相交点，然后连接F、O22点，那么所形成的夹角∠FO2F1=0.59°，即为转换后的内转向轮的转角误差。

上述只是分析了在某一个转角状态下的情形，实际上，外转角从0°到25.5°的区间内，是由无数个瞬时转角连续串联而成的，转角误差也是在瞬时变化的。虽然我们无法利用作图法将所有的瞬时转角都校核一遍，但我们可以利用取点法，将连续的旋转角近似地看成是由N个转角状态串联而成的，然后运用作图法分别模拟出每一个转角状态。当然，当转向角区间模拟的越精细的话，计算出来的转角误差也会越精准。

我们运用CAXA软件中的“角等分线”功能，将25.5°等分为10等分或更多等分，每一等分线的位置代表一种转向状态，然后运用上述的作图法依次计算出每个转角的转角误差。待作图完成后，将数据记录到表1所示的表格中。

结语

通过上述实例，我们看到用作图法来校核，可以使过程更加高效、简便。设计人员只需将转向杆系理解为一套平面连杆机构，在掌握了各个节点的运动关系后，用作图法模拟出来即可。通过该方式即可绕开烦琐的解析法，就能轻松、独立地完成整个校核工作。而且整个推理也浅显易懂，相关设计人员能容易掌握，该方式很值得推广。

参考文献

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[2]范祖尧.现代机械设备设计手册[M].北京：机械工业出版社，1996.

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