汽车起重机转向系统的优化设计
目 录
1 绪论1
1.1 课题研究的背景与意义1
1.2 课题的国内外研究状况4
1.3 研究内容与方法5
2 QY25E转向机构的优化数学模型5
2.1 研究对象的选取6
2.2 转向机构理想工作情况分析6
2.3 转向机构各构件之间的关系8
2.4 确定优化目标函数9
2.5 确定约束条件9
2.6 转建立整合优化模型10
3 基于MATLAB的QY25E转向机构优化及结果10
3.1 MATLAB优化软件的简介11
3.2 编写M文件的优化方程11
3.3 MATLAB的优化界面14
结论 18
致谢 19
参考文献20
1 绪论
汽车起重机是装在普通汽车底盘的一种起重机，行驶驾驶室与起重操纵室是分开设置的。汽车起重机的优点是机动性好，移动迅速。缺点是工作时须支腿保持稳定，不能载荷行驶，工作环境只能是在公路或者其他坚硬平整地面。汽车起重机的底盘就是汽车底盘，符合公路车辆的技术要求，在各类公路上通行无阻。
1.1课题研究的背景与意义
1890年，英国COLES公司研制出以铁路板车为底盘，采用垂直式蒸汽锅炉为动力的起重机，如图1-1中所示，它拥有数吨的起重能力，依靠轨道行驶，这是19世纪末期移动式起重机的典型结构。
图1-1英国Coles公司现存最早的蒸汽起重机
COLES公司曾是欧洲最大的起重机公司，1879年在伦敦创立，1918年COLES公司采用Tilling-Stevens汽车底盘制造出第一台电动 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
机驱动的汽车起重机。从目前资料看，这可能是世界最早的汽车起重机之一。第一次世界大战之后，欧洲和美国相继出现一大批制造汽车式起重机的厂商。第二次世界大战爆发后，军工方面的需求进一步刺激了汽车式起重机的发展。1945年二战结束后，战后重建工程使得汽车起重机和履带桁架臂起重机取代了缆索式起重机。此时起重机的传动装置仍以机械传动为主，结构部分由铆接变为焊接，并已开始使用高强度钢材。进入60年代后，美国在移动式起重机市场已经确立世界霸主地位。英国COLES公司在1963年推出100吨级汽车式起重机，为当时世界之最。1971年，COLES推出了L6000型汽车起重机，最大起重能力达到了250吨，1973年COLES推出使用箱型伸缩臂的LH1000型汽车起重机。如图1-2所示。
图1-2 COLES推出的箱型伸缩臂LH1000型汽车起重机
格鲁夫曾是世界最大的全地面起重机制造厂商，1968年格鲁夫推出了全球第一台具有回转结构的全地面起重机。1970年推出了使用箱型伸缩臂的全地面起重机。2002年格鲁夫被美国马尼托瓦克集团收购。同年推出的GMK7450/7550是格鲁夫全地面起重机家族中的顶级机型，最大起重能力为450吨，采用7轴底盘，主臂可延伸至60米，加上副臂可达130米。上世纪70年代后，世界起重机市场发生急剧变化。美国痴迷于电子信息产业，重工业的生产规模不断缩小。在起重机的生产开发上失去了活力。欧洲经济虽然一度陷入低迷，但在工业制造领域仍有长足的发展。以德国企业为中心，不断突破特大吨位起重机的世界纪录。同一时期日本起重机产业曾保持高速增长，占据了全球中小吨位起重机市场，但在泡沫经济破灭后一蹶不振。欧洲的移动起重机制造商除了英国COLES外，还有德国哥特瓦尔德（Gottwald）、利勃海尔（Liebherr）、克虏伯（KRUUP）、法恩（FAUN）、法国PPM、西班牙LUNA等。
加藤（KATO）创立于1895年，1939年加藤生产的起重机安装到日本航母上，并参加了太平洋战争。1969年当时亚洲最大的汽车起重机NK-750Jumbo下线。该机采用4轴底盘，最大起重量75吨。1980年加藤开始生产越野起重机，1987年开始生产全路面起重机。1995年，加藤公司为庆祝成立100周年，制造了当时亚洲最大的箱形伸缩臂汽车起重机NK-5000。该机采用6轴底盘，是世界上轴数最少的500吨级起重机，其他公司的同级产品多为7-9轴。该车长度只有13.58米，同时也成为车身最短的500吨级起重机。多田野与加藤长期处于竞争合作并存的关系，从上世纪60年代进军世界市场后，获得巨大发展。但是受日本国土狭窄、道路规范的限制，以及日本泡沫经济的打击，在大吨位汽车起重机市场未有太大收获。
我国移动式起重机起步于上世纪50年代初期，主要是引进或测绘进口苏联产品。在此基础上，北京市机械厂（北京起重机器厂前身）于1957年首次在解放牌底盘上生产了3吨机械式汽车起重机。在上世纪70年代中后期以前，我国起重机厂家基本以生产5-8吨以下的汽车起重机为主，液压起重机也开始面世。履带式起重机也是在苏联挖掘机的基础上改进而成，但一直未形成规模。1978年改革开放后，我国轮式起重机经历了一段自行研制阶段（16-20吨液压箱型伸缩臂）。同时各厂家分别与日本多田野，美国格鲁夫，德国利勃海尔等采用引进合作的方式，相继生产出了20t、25t、35t、40t、45t、50t、80t、125t汽车起重机和25t越野轮胎起重机，以及32t、50t、70t、160t全地面汽车起重机。通过对引进技术的消化、吸收和移植，我国的轮式起重机产品性能、制造水平均上了一个台阶，产品产量也逐年有所提高。但受到方方面面条件的限制，至上世纪90年代后期，我国的汽车起重机技术，与国外相比仍有一段差距。由于国家宏观调控，导致建筑市场萎缩。全国汽车起重机销量从1993年的5154台，跌至1997年的2274台。进入21世纪后，随着中国经济规模迅速膨胀，大规模的城市建设，刺激了工程机械的需求。汽车起重机销量从1999年开始成倍增长，2003年突破1万台。继美国上世纪70年中期年产7500台，日本1980年8000台的产量纪录后，中国成为世界第一大起重机生产国。庞大的市场需求，吸引大批资金投向起重机行业，徐工集团、中联重科、柳工、三一重工等企业乘势崛起，以年均两位数的惊人速度迅速扩张。各家企业陆续突破中小吨位起重机，和超大吨位起重机的研制瓶颈，形成了较为完整的产品谱系。图1-3中所示的为徐工研发的全球最大吨位的QAY1200型全地面起重机。
图1-3徐工研发的全球最大吨位的QAY1200型全地面起重机
全路面起重机采用专门设计的多轴全轮驱动底盘，油气悬挂、液压减震，能实现全轮转向、全桥驱动；搭载箱型液压伸缩臂或桁架臂。虽然与汽车起重机相比，全路面起重机有更高的场地适应性，技术含量更高，起重能力更强，但其造价成本也成倍提高。因此目前在国内的工程应用中，全地面起重机还无法完全取代汽车起重机[1]。
1.2课题的国内外研究状况
汽车起重机转向系统是关系着驾驶员与乘客生命安危的重要部件。其用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性、安全性及经济性。
(2-11)
1 绪论1
1.1 课题研究的背景与意义1
1.2 课题的国内外研究状况4
1.3 研究内容与方法5
2 QY25E转向机构的优化数学模型5
2.1 研究对象的选取6
2.2 转向机构理想工作情况分析6
2.3 转向机构各构件之间的关系8
2.4 确定优化目标函数9
2.5 确定约束条件9
2.6 转建立整合优化模型10
3 基于MATLAB的QY25E转向机构优化及结果10
3.1 MATLAB优化软件的简介11
3.2 编写M文件的优化方程11
3.3 MATLAB的优化界面14
结论 18
致谢 19
参考文献20
1 绪论
汽车起重机是装在普通汽车底盘的一种起重机，行驶驾驶室与起重操纵室是分开设置的。汽车起重机的优点是机动性好，移动迅速。缺点是工作时须支腿保持稳定，不能载荷行驶，工作环境只能是在公路或者其他坚硬平整地面。汽车起重机的底盘就是汽车底盘，符合公路车辆的技术要求，在各类公路上通行无阻。
1.1课题研究的背景与意义
1890年，英国COLES公司研制出以铁路板车为底盘，采用垂直式蒸汽锅炉为动力的起重机，如图1-1中所示，它拥有数吨的起重能力，依靠轨道行驶，这是19世纪末期移动式起重机的典型结构。
图1-1英国Coles公司现存最早的蒸汽起重机
COLES公司曾是欧洲最大的起重机公司，1879年在伦敦创立，1918年COLES公司采用Tilling-Stevens汽车底盘制造出第一台电动 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
机驱动的汽车起重机。从目前资料看，这可能是世界最早的汽车起重机之一。第一次世界大战之后，欧洲和美国相继出现一大批制造汽车式起重机的厂商。第二次世界大战爆发后，军工方面的需求进一步刺激了汽车式起重机的发展。1945年二战结束后，战后重建工程使得汽车起重机和履带桁架臂起重机取代了缆索式起重机。此时起重机的传动装置仍以机械传动为主，结构部分由铆接变为焊接，并已开始使用高强度钢材。进入60年代后，美国在移动式起重机市场已经确立世界霸主地位。英国COLES公司在1963年推出100吨级汽车式起重机，为当时世界之最。1971年，COLES推出了L6000型汽车起重机，最大起重能力达到了250吨，1973年COLES推出使用箱型伸缩臂的LH1000型汽车起重机。如图1-2所示。
图1-2 COLES推出的箱型伸缩臂LH1000型汽车起重机
格鲁夫曾是世界最大的全地面起重机制造厂商，1968年格鲁夫推出了全球第一台具有回转结构的全地面起重机。1970年推出了使用箱型伸缩臂的全地面起重机。2002年格鲁夫被美国马尼托瓦克集团收购。同年推出的GMK7450/7550是格鲁夫全地面起重机家族中的顶级机型，最大起重能力为450吨，采用7轴底盘，主臂可延伸至60米，加上副臂可达130米。上世纪70年代后，世界起重机市场发生急剧变化。美国痴迷于电子信息产业，重工业的生产规模不断缩小。在起重机的生产开发上失去了活力。欧洲经济虽然一度陷入低迷，但在工业制造领域仍有长足的发展。以德国企业为中心，不断突破特大吨位起重机的世界纪录。同一时期日本起重机产业曾保持高速增长，占据了全球中小吨位起重机市场，但在泡沫经济破灭后一蹶不振。欧洲的移动起重机制造商除了英国COLES外，还有德国哥特瓦尔德（Gottwald）、利勃海尔（Liebherr）、克虏伯（KRUUP）、法恩（FAUN）、法国PPM、西班牙LUNA等。
加藤（KATO）创立于1895年，1939年加藤生产的起重机安装到日本航母上，并参加了太平洋战争。1969年当时亚洲最大的汽车起重机NK-750Jumbo下线。该机采用4轴底盘，最大起重量75吨。1980年加藤开始生产越野起重机，1987年开始生产全路面起重机。1995年，加藤公司为庆祝成立100周年，制造了当时亚洲最大的箱形伸缩臂汽车起重机NK-5000。该机采用6轴底盘，是世界上轴数最少的500吨级起重机，其他公司的同级产品多为7-9轴。该车长度只有13.58米，同时也成为车身最短的500吨级起重机。多田野与加藤长期处于竞争合作并存的关系，从上世纪60年代进军世界市场后，获得巨大发展。但是受日本国土狭窄、道路规范的限制，以及日本泡沫经济的打击，在大吨位汽车起重机市场未有太大收获。
我国移动式起重机起步于上世纪50年代初期，主要是引进或测绘进口苏联产品。在此基础上，北京市机械厂（北京起重机器厂前身）于1957年首次在解放牌底盘上生产了3吨机械式汽车起重机。在上世纪70年代中后期以前，我国起重机厂家基本以生产5-8吨以下的汽车起重机为主，液压起重机也开始面世。履带式起重机也是在苏联挖掘机的基础上改进而成，但一直未形成规模。1978年改革开放后，我国轮式起重机经历了一段自行研制阶段（16-20吨液压箱型伸缩臂）。同时各厂家分别与日本多田野，美国格鲁夫，德国利勃海尔等采用引进合作的方式，相继生产出了20t、25t、35t、40t、45t、50t、80t、125t汽车起重机和25t越野轮胎起重机，以及32t、50t、70t、160t全地面汽车起重机。通过对引进技术的消化、吸收和移植，我国的轮式起重机产品性能、制造水平均上了一个台阶，产品产量也逐年有所提高。但受到方方面面条件的限制，至上世纪90年代后期，我国的汽车起重机技术，与国外相比仍有一段差距。由于国家宏观调控，导致建筑市场萎缩。全国汽车起重机销量从1993年的5154台，跌至1997年的2274台。进入21世纪后，随着中国经济规模迅速膨胀，大规模的城市建设，刺激了工程机械的需求。汽车起重机销量从1999年开始成倍增长，2003年突破1万台。继美国上世纪70年中期年产7500台，日本1980年8000台的产量纪录后，中国成为世界第一大起重机生产国。庞大的市场需求，吸引大批资金投向起重机行业，徐工集团、中联重科、柳工、三一重工等企业乘势崛起，以年均两位数的惊人速度迅速扩张。各家企业陆续突破中小吨位起重机，和超大吨位起重机的研制瓶颈，形成了较为完整的产品谱系。图1-3中所示的为徐工研发的全球最大吨位的QAY1200型全地面起重机。
图1-3徐工研发的全球最大吨位的QAY1200型全地面起重机
全路面起重机采用专门设计的多轴全轮驱动底盘，油气悬挂、液压减震，能实现全轮转向、全桥驱动；搭载箱型液压伸缩臂或桁架臂。虽然与汽车起重机相比，全路面起重机有更高的场地适应性，技术含量更高，起重能力更强，但其造价成本也成倍提高。因此目前在国内的工程应用中，全地面起重机还无法完全取代汽车起重机[1]。
1.2课题的国内外研究状况
汽车起重机转向系统是关系着驾驶员与乘客生命安危的重要部件。其用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽车在行驶过程中能按照驾驶员的操纵要求而适时地改变其行驶方向，并在受到路面传来的偶然冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保持汽车继续稳定行驶。因此，转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性、安全性及经济性。
(2-11)
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