2024年4月4日发(作者：)

特别适用于舰艇、洞库内作业的车辆。但是Ｍｅｃａ—　

ｎｕｎ轮的结构较特殊，为了在实际使用过程中充　

分发挥其性能，必须对其进行相应的运动和承载　

特性分析。　

本文以ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ软件为基础，对装备有　

Ｍｅｃａｎｕｍ轮的万向叉车的运动过程进行了仿真分　

析，获得了车轮在运动过程中所承受的冲击载荷，　

为后续的有限元分析奠定了数据基础。　

１　Ｍｅｃａｎｕｍ轮运动原理　

Ｍｅｃａｎｕｍ轮的轮体圆周斜向分布着许多小滚　

轮，这些滚轮的外扩线与轮子的理论圆周相重合，　

并且滚轮能够自由旋转，滚轮的轴线与Ｍｅｃａｎｕｍ　

轮的轴线通常成４５。角，如图１所示。　

ｏ　

图１　Ｍｅｃａｎｕｍ轮结构图　

滚轮有３个自由度，在绕自身转动的同时还　

能绕车轴转动，以及绕滚轮与地面接触点转动，　

从而使Ｍｅｃａｎｕｍ轮也具备了３个自由度：绕轮轴　

的转动、沿滚轮轴线垂线方向的平动和绕滚轮与　

地面接触点的转动，使驱动轮在一个方向上具有　

主动驱动能力，在另外一个方向上具有自由移动　

的特性。当４个轮独立驱动时，在摩擦力和驱动　

力的共同作用下，车体可以实现全方位移动。典　

型的车体运动方向与各轮驱动方向的对应关系如　

∞一　∞一　∞一　∞一　

图２所示。图中，Ｆ　为轮子滚动时小滚轮受到的　

轴向摩擦力，Ｆ　为小滚轮做从动滚动时受到的滚　

动摩擦力，　为各轮转动的角速度。只要能正确控　

制各轮的转速和转向，就可实现车辆的全方位　

运动。　

２　Ｍｅｃａｎｕｍ轮运动仿真分析　

２．１　ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ软件简介　

ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ是集成于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ环境中的基　

于ＡＤＡＭＳ解决方案引擎创建的运动分析系统，可　

以在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的ＣＡＤ系统构建的原型机上查看　

．．．——

４０．．．——　

∞　

Ｆ　

∞　

图２车体运动方向与各轮驱动方向对应关系　

其工作情况，进行机构的干涉分析，跟踪零件的　

运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作　

用力、反作用力和力矩等，以指导零件的结构设　

计。ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ用户界面是ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ界面的无　

缝扩展，它使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ数据存储库，不需要　

ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ数据的复制、导出，极大地提高了用户　

操作使用的方便性和安全性。　

２．２创建模型　

利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件创建万向叉车车体和　

Ｍｅｃａｎｕｍ轮的三维实体模型，并按照实际结构进　

行装配。装配后的整车模型如图３所示。　

图３整车模型图　

２．３边界条件处理　

ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ软件与ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件之间实现　

了无缝连接，创建完成的三维实体模型可以直接　

导入ＣｏｓｍｏｓＭｏｔｉｏｎ软件，进行边界条件处理和运　

动仿真分析。由于万向叉车的零部件数量较多　

《起重运输机械》　２０１１（１１）　

（１１４个），大量的模型元素导致模型矩阵非常庞　

大，因此，应仔细处理各零部件之间的约束关系，　

否则会影响仿真结果的正确性。　

由于本文主要研究Ｍｅｃａｎｕｍ轮的运动特性，　

ｉ

上述仿真分析还可以进一步得到每个小滚轮　

；ｉ

苣　

｛●ｌ　

Ⅲ　Ⅻ　㈣㈣差耋Ⅷ墨奏㈣Ⅻ　㈣戛：　

在运动过程中的载荷分布情况。由于各小滚轮的　

受力情况相似，故仅研究其中１个小滚轮的受力　

情况，如图５所示。　

Ｉ　

因此，万向叉车的车体部分可以作为一个整体零　

部件。依据Ｍｅｃａｎｕｍ轮的结构特点和功能，本文　

主要采用旋转副、固定约束副和３Ｄ碰撞对模型进　

行约束：在车架和驱动桥之间生成固定约束３个，　

小滚轮与轮体之间生成旋转副约束２８个，轮体与　

车桥之间生成３Ｄ碰撞约束集合４个（每个集合各　

包含７个零部件间的３Ｄ碰撞约束）。　

２．４仿真分析　

对Ｍｅｃａｎｕｍ轮进行运动仿真。仿真工况为：　

车辆在平整路面上向前行驶、车轮转速１２。／ｓ、仿　

真时间６０　ｓ。仿真分析得出的Ｍｅｃａｎｕｍ轮所承受　

载荷的分布曲线如图４所示。　

０　２　４　６　８　１０【２ｌ４Ｉ６ｌ８　２０　２２　２４　２６　２８　３０　３２　３４　３６　３８　４０　４２　４４　４．６　４８　５０　５２　５４　５６　５８　６０　

时间／ｓ　

（ａ）　

（ａ）右后轮载荷曲线图　（ｂ）左前轮载荷曲线图　

图４　Ｍｅｃａｎｕｍ轮载荷曲线图　

由图４可知，当万向叉车车轮转速为１２。／ｓ在　

平坦路面上匀速行驶时，Ｍｅｃａｎｕｍ轮ｊ　受的载荷　

为周期性冲击载荷，其中右后轮的最大载荷约为４　

２００　Ｎ，左前轮的最大载荷约为３　６００　Ｎ。其中，冲　

击载荷是由各小滚轮依次与地面接触时产生冲击　

所引起的。因此，Ｍｅｃａｎｕｍ轮在运动过程中会出　

现一定的振动，在后续的结构设计中应引起注意。　

《起重运输机械》　２０１１（１１）　

一　…　

图５小滚轮载荷曲线图　

由图５可以看出，小滚轮承受的载荷也为周　

期性冲击载荷，即每当小滚轮与地面接触时会受　

到短暂的冲击载荷，冲击载荷的最大值约为５　１００　

Ｎ，２次冲击载荷的作用时间相差３０　Ｓ，即Ｍｅｃａ－　

ｎｕｍ轮每旋转１圈，小滚轮与地面接触１次，承受　

１次地面作用的冲击载荷。　

小滚轮受到的冲击载荷明显大于Ｍｅｃａｎｕｍ轮　

所受到的冲击载荷，因此，在运动过程中小滚轮　

的磨损较严重，小滚轮的寿命将直接影响整车的　

正常作业，在实际设计时必须给予高度重视。　

３　结束语　

本文通过对万向叉车的Ｍｅｃａｎｕｍ轮进行运动　

仿真分析，掌握了Ｍｅｃａｎｕｍ轮的运动特点，获得　

了Ｍｅｃａｎｕｍ轮运动过程中的一些力学参数，为后　

续的力学计算分析及结构设计奠定了良好的基础。　

通过仿真分析主要得到如下结论：　

１）通过正确控制各Ｍｅｃａｎｕｍ轮的转速及转　

向，可以实现车辆的全方位移动，大大提高了车　

辆的作业效率。　

２）Ｍｅｃａｎｕｍ轮在运动过程中不可避免地会受　

到周期性冲击载荷的作用，使车辆在运行过程中　

产生一定的振动。为保证整车作业的平稳性，在　

后续力学分析中需对整车进行振动分析。　

３）Ｍｅｃａｎｕｍ轮的主要承载部件为小滚轮，且　

小滚轮所受到的冲击载荷明显大于Ｍｅｃａｎｕｍ轮，　

小滚轮磨损更严重。在结构设计中应当着重解决　

（下转第８０页）　

——

４１——　

圆锥孑Ｌ轴承有较严格的配合，当轴承进入锥　

形轴颈或衬套时，由于内圈膨胀使轴承径向游隙　

减小，故可通过控制轴承压进锥形配合面的距离，　

调整径向游隙。在安装轴承前需知道轴承的原始　

游隙和工作游隙，以便在安装过程中不断测量，　

将游隙量调整到工作游隙的范围。如果调整不到　

更大的外载荷而损坏。另外在许多应用中，轴承　

的刚度与周围结构刚度相同，会导致运行过程中　

轴承与周围机构之间发生共振，这就要求正确选　

用轴承或改变周围结构的刚度，从而改变临界频　

率，避免共振的产生。　

位，工作游隙过大会造成轴承的压紧力不够，使　

轴承的振动加大，影响轴承的使用寿命；游隙过　

小使得轴承压紧力过大，将增大轴承的摩擦力矩，　

从而产生大量的热，导致轴承发热损坏或造成轴　

５　轴承本身质量问题或使用中维护保养不　

当导致轴承失效　

如果轴承本身存在质量问题，必然会影响轴　

承的正常使用。另外滚筒轴承如果保养不及时，　

造成轴承缺少润滑油，也会严重影响使用寿命。　

在维修过程中，要注意轴承座螺栓紧固时的　

紧固力矩一定要达到要求，否则，滚筒运转过程　

中轴承座会出现振动甚至偏斜，造成轴承的损坏。　

在滚筒周围进行电焊作业时注意接地线的安装位　

置，要避免回路通过滚筒，使电流在滚道轮与滚　

动体之间出现火花造成电蚀。　

参考文献　

承内圈出现裂痕而失效。　

轴承座自由端活动量过小也会导致轴承损坏，　

滚筒轴承座一般采用１个支承端使轴承与轴及外　

壳孔的位置相对固定（称固定端），以实现轴的定　

位。而在轴的另一支承端，使轴承与轴或外壳孑Ｌ　

间可以相对移动（称自由端），以补偿因热变形及　

安装误差引起的长度变化。如果安装时自由端的　

自由量过小，不足以补偿变化量，就会导致轴承　

承受过大的轴向载荷而损坏。　

［１］宋伟刚．通用带式输送机设计［Ｍ］．北京：机械工业　

４胶带非正常运行造成滚筒轴承损坏　

如果胶带跑偏则沿带宽方向张力不均匀分布，　

胶带作用在滚筒上的力也会出现不均匀分布，跑　

出版社，２００６．　

［２］徐灏．机械设计手册［Ｍ］．第２版．北京：机械工业　

出版社，２００６．　

偏侧受力会加大，滚筒在跑偏侧的轴承会承受更　

大的径向力，导致轴承使用寿命缩短。　

如果滚筒底座刚度不够，或轴承座与底座钢　

作　者：陈冰　

地　

邮　

址：河北省沧　｝ｌ市渤海新区神华黄骅港务有限责任　

公司卸车一部　

编：０６１１１３　

结构的连接刚度不够都会造成运行过程中轴承座　

出现过度振动，甚至出现轴向摆动，使轴承承受　

收稿日期：２０１０—１２—３０　

（上接第４１页）　

哈尔滨工业大学学报，２００１．　

小滚轮使用寿命的问题。　

４）Ｍｅｃａｎｕｍ轮的运动仿真分析为后续的力学　

计算及结构设计提供了原始数据，对于提高整车　

作业性能具有一定的指导意义。　

参考文献　

ｌ　１　Ｊ赵经文，王宏钮．结构有限兀分析ｌ　Ｍ　Ｊ．北京：科学　

出版社，２００４’　

［４］吕伟文．全方位轮移动机构的结构设计［Ｊ］．机械与电　

子，２００６．　

［５］王富．万向电动叉车的改进设计［Ｄ］．阜新：辽宁工　

程技术大学，２００３．　

周京京　

地　址

：　

天津市河东区东局子１号军事物流系装机教　

研室　

邮　编

：　

３００１６ｌ　

［２］江洪，陆利锋，魏峥・ｓ。ｌｉｄｗ。ｒｋｓ动画演示与运动分　

析实例解析ｌＭ　Ｊ．北京：机械工业出版社，２００５．　

收稿日期

：　

２０１１一Ｏ５—０１　

『３］闫国荣，张海兵．一种新型轮式全方位移动机构［Ｊ］．　

Ｒ【１一　

《起重运输机械》　２０１１（１１）