工程机械换挡手柄操作机构的设计与仿真

张恒根，涂群章，何继贤，潘明，郑烨，丁乔

(解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007)

0 引言

近年来，地震、台风、核泄露等灾害频繁发生，在抢险救灾特别是道路、建筑物、山体滑坡等工程抢通抢建中，工程机械起着极其重要的作用。而在这些工作环境异常恶劣和危险的场合下作业，为保证操作者的身体健康和生命财产安全，采用作业的自动化装置或遥控装备，将人(操作手)从各种危险的作业现场中解放出来，已成为重要途径之一。为实现工程机械的自动或遥控驾驶，采用置于驾驶室内对各种操纵杆进行自动或遥控操作的机器手，是实现工程机械的无人或遥控操作最有效途径之一。

挖掘机是目前在工程抢修抢建中最为典型的装备之一，要实现对其进行遥控或自动操作，实现自动换挡是重要的一步。目前挖掘机主要采用手动换档，要在不改变机械原有结构的基础上，实现自动或遥控换档，就必须设计合理的换档驱动机构和相应的控制器。本文通过对某型挖掘机的换挡机构的研究，设计了一种操纵换挡手柄的机构，并通过建模、分析，验证了其换档操作的有效性，为该机械自动换挡系统的实现打下基础。

1 建立模型

根据对换挡手柄的结构、位置和运动的分析，该型挖掘机的换档手柄主要包括两个前进档和一个倒档。前进1档为低速档，2档为高速档，手柄的换挡运动是空间运动，为了简便直观地进行分析，建立如图1所示的直角坐标系中，选取手柄与底座的铰接点为坐标原点，手柄在空挡位置时处于竖直方向(z轴)，手柄由空挡进2档时的前进方向为x轴。这样，手柄档位及工作位置关系如图1所示。

图1 换挡手柄工作流程图

根据对换挡手柄运动分析，换挡手柄的运动可分解为平面内的直线运动和绕轴回转运动。直线运动可采用电动机驱动曲柄滑块机构来实现，回转运动采用电动机驱动回转副来实现。

如图2所示，将一个沿手柄杆上下滑动的滑块套在手柄杆上，滑块固定在一个指定的距离坐标原点距离为R的平面上，当滑块运动产生行程L时，手柄的转角就可以由R和L确定出来，即因此，把研究手柄的运动来转化为研究滑块的运动，下面将以滑块为主要研究对象。

图2 滑块与手柄的位置关系图

根据前面的叙述，复合机构的运动简图如图3所示:

图3 复合机构运动简图

曲柄长度L1，角位移θ1，角速度ω1；连杆长度L2，角位移θ2，角速度 ω2；电动机的转角为 θ3，角速度 ω3；滑块的位移 L，行程S，速度υc。以电动机轴为z轴，滑块所在水平面为xoy平面，建立直角坐标系，当下侧电动机转角为0时有:

由式(2)可得:

即:

式(2)对时间t一次求导，得:

即:

当下侧电动机驱动整个曲柄滑块机构绕z轴的转角为 θ3时，

滑块在x轴的行程分量:Sx=(S-L3)cosθ3

滑块在y轴的行程分量:Sy=(S-L3)sinθ3

比如，一些自媒体从业者通过互联网社交平台发表批评地方政府或者地方政府官员的意见，引起地方官员或者企业负责人注意，于是这些地方官员或者企业负责人为了消除负面影响，主动支付费用，以换取批评者撤回有关稿件。对这种情况，司法机关一般按照敲诈勒索处理。其实，在司法实践中，这种行为性质非常复杂。

滑块始终在xoy平面上，Sz=0

根据实际操作中手柄运动的具体参数，可以转化为滑块的行程和电动机的转角，再根据滑块的行程，计算出复合机构的运动参数，就可以实现通过复合机构最终驱动换挡手柄至需要的位置。

图4是用Pro/E软件对换挡手柄的操纵机构进行了建模。

图4 换挡手柄操纵机构模型

电动机1驱动连杆，连杆通过与滑动杆的连接，实现了由电动机的回转运动到直线运动的转换；而滑动杆通过一个销钉和滑套与换挡手柄相连，采用销钉和滑套的目的是满足换挡手柄运动自由度需要，避免出现卡死的现象；转槽将电动机1、连杆、滑动杆连成一个整体，并通过转槽与电动机2相连。根据上文的分析，可以将换挡手柄的运动分解为平面内的摆运和回转运功。现在，根据所建立的模型可知，电动机1实现直线运动，而电动机2则实现回转运动。

2 机构运动仿真

2.1 系统运动分析和参数设置

根据对换挡手柄运动的研究可知，该型挖掘机的换挡手柄的操作力为25N，每个换挡方向的最大行程为200mm，滑块距离手柄铰接点的垂直距离350mm，1档2档与倒档之间的轨迹夹角均为30°，每次换挡时间不超过3s，手柄运动分析图如图5所示。

图5 手柄运动分析

设连杆1长度为L1，连杆2长度为L2，则根据设置的初始位置有:L2=L1sin30°，系统运行至最终位置时，连杆1和连杆2均处于水平状态，换挡手柄的最大行程为200mm，则有:L1+L2-L1cos30°=L1+L1sin30°-L1cos30°=200mm，可解得连杆1的长度为315.5mm，连杆2的长度为158mm。

图6 电动机特性设置

2.1 动态仿真及结果分析

为验证机构设计的可行性，在Pro/E中，进行分析定义如图7所示，在运动仿真时，根据该变速手柄实际运动的规律，对一个全换挡过程描述如下:

1)0s时在初始位置；

2)1s时开始换1档，运行时间3s；

3)5s时开始换2档，顺序为1档至初始位置至2档，运行时间5s；

4)12s时回初始位置，运行时间2s；

5)15s时开始换倒档，运行时间3s；

6)19s时回初始位置，运行时间3s，共计运行时间22s。

图7 分析定义设置

对手柄进行运动分析，取滑块为研究对象，对其位移和速度进行分析，结果如图8-图10所示。

图8 位移模量

图9 位移x方向分量

从图8中可以看出，三次换挡的位移的模都是相等的，经过矢量分解后，可以得出每次运动时沿运动方向的位移值都接近200mm，这是因为虽然换挡过程中加入了回转运动，但是对于每次换挡来说，在相应方向的位移都是200mm，说明该机构可很好地实现换挡行程设计的要求。

从图9中可以看出，中间的一次换挡(从初始位置到2档的最终位置)的x方向的位移为200mm，这是因为本次换挡的手柄运动方向就是x方向；但是其他两次的位移x分量都不足200mm，这是因为这两次的换挡的手柄运动方向与x方向有30°的偏角，经过计算，在误差允许范围内，这两次的位移x分量都近似等于200mm×cos30°。因此可以认为，该机构在换挡运动行程方面和转角方面都基本满足了设计要求。

图10 速度模量

从图10中可以看出，因为采用了曲柄滑块机构，手柄的速度变化不规则，但是可以看出，在1s-2s的时间段速度是恒定的，这是由于电动机2在调整角度时做匀速回转运动；在2s-4s的时间段内，电动机1驱动曲柄滑块运动，可以看出速度的模的最大值不是出现在初始位置(2s初)，而在第4s末，手柄运动至档位的最终位置时速度降为0，减少了冲击。

3 结论

通过对某型号挖掘机换挡手柄的结构和运动分析，设计了采用一种手柄操纵机构，通过Pro/E软件对该机构进行了建模和运动仿真，通过对结果的分析，该机构基本满足了设计要求。为后续对该挖掘机换挡手柄的自动控制，以实现自动换挡提供了一种可行的驱动机构。

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