（光学工程专业论文）100吨组合式全轮转向半挂车设计开发.pdf

中国农业大学硕卜论文 摘要 i i 量曼鼍曼曼曼曼曼皇曼曼曼鼍皇曼日皇曼曼皇置罡曼皇曼皇曼曼| 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量詈皇e 曼置皇量舅曼曼曼曼曼皇皇 摘要 近年来，随着我国现代经济建设的迅猛发展，国家建设项目中重型成套设备的运输量越来越 大，百吨、几百吨以至上千吨的重型超长、超宽成套设备的运输是经常遇到的。目前国内原有设 备已不能满足运输生产的需要，研制开发出一种组合式液压半挂车已经成为国内汽车企业亟待解 决的新课题。为此，本文系统分析了1 0 0 吨全轮转向组合式半挂车的要求和特点，着重研究了牵 引车与半挂车前后同步转向、货台高度无级自由调整以及车架任意攒接等技术问题。 本文所进行的研究工作主要有以下方面： 首先，选择了车辆的结构形式。完成了组合半挂车的结构方案和牵引连接装置的设计；其次， 分析了车架结构受力，采用有限元技术优化设计了部分车架结构；第三，研究了货台升降液压系 统原理。完成了半挂车液压转向系统设计以及液压元件的控制及安装；第四，分析了车辆三管路 气压制动系统原理与工作过程，开发设计了车辆气压制动系统，给出了气压制动系统安装调试方 法；最后，介绍了车辆特殊使用条件下的运输方案设计方法、各系统的维护以及定期检查与故障 诊断方法。 所设计的1 0 0 吨组合式液压半挂车是一种国内全新的特种挂车车型。具有良好的通过性、机 动性和经济性，并且装卸货物方便。此外，该车型与国内过去应用的半挂车和全轮转向可升降式 百吨全挂车相比，更加灵活、使用范围广、承载吨位大、载荷分布更为合理。 关键词：组合半挂车、全轮转向、液压转向系统、气压制动系统 中固农业大学硕t 论文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hf a s td e v e l o p m e n to fc h i n am o d e me c o n o m i cc o n s t r u c t i o n , t h et r a n s p o r t r e q u i r e m e n t so f h e a v y s e te q u i p m e n t sh a sg r e a t l yi n c r e a s e d ，m a n yo f w h i c ha mh u n d r e d so f t o n s ，e v e n t h o u s a n d so ft o n so fo v e r l o n ga n do v e r w i d eh e a v ye q u i p m e n ti nn a t i o n a lc o n s t r u c t i o np r o j e c t s t h e e x i s t i n ge q u i p m e n t si nc h i n ac o u l dn o tm e e tt h ed e m a n d so ft r a n s p o r t a t i o na n dp r o d u c t i o n i tw a s a l l u r g e n tt a s kf o rn a t i o n a la u t o m o b i l ee n t e r p r i s e st or e s e a r c ha n dd e v e l o pak i n do fc o m b i n e dh y d r a u l i c s e m i t r a i l e r t h u si nt h i ss t u d y ，t h er e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f1 0 0 - t o na l lw h e e ls t e e r i n g c o m b i n e ds e m i t r a i l e rw e r ea n a l y z e da n dt e c h n i c a lp r o b l e m so fs y n c h r o n i z e ds t e e r i n go ft r a c t o ra n d t r a i l e r , s t e p l e s sr e g u l a t i o no fc a r g op l a t f o r mh e i g h ta n dp o s i t i v eb u i l d - u pf l a m e ，e r e w e r ed i s c u s s e di n d e t a i l r e s e a r c h e si nt h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e ： f i r s t l y ，t h et y p eo fv e h i c l es t r u c t u r ew a ss e l e c t e dt oc o m p l e t et h ec o n f i g u r a t i o no fc o m b i n e d s e m i t r a i l e ra n dt h ed e s i g no fu 锨i o nc o n j u n c t i o nd e v i c e t h e n ，t h ep r e s s u r eo fv e h i c l ef r a m ew a s a n a l y z e da n dt h ef i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g yw a sa d o p t e dt of i n i s hi 协o p t i m i z e dd e s i g n t h i r d l y ，t h e p r i n c j p l eo fc a r g op l a t f o r m l i f t h y d r a u l i cs y s t e mw a ss t u d i e ds oa st oa c c o m p l i s ht h ed e s i g no f s e m i t r a i l e rh y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e ma n dt h ec o n t r o la n di n s t a l l a t i o no f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，f o u r t h l y ， t h ep r i n c i p l eo fv e h i c l ep n e u m a t i cb r a k es y s t e ma n di t sw o r k i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d as i m i l a r s y s t e mw a sd e s i g n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gi n s t a l l a t i o na n dr e g u l a t i o nm e t h o d sw e r eg i v e n f i n a l l y , t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n gm e t h o d s , s y s t e mm a i n t e n a n c ea n d f a i l u r ed i a g n o s i sm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e di n s p e c i a lv e h i c l ea p p l i c a t i o n t h ed e s i g n e d1 0 0 - t o nc o n b i n e dh y d r a u l i cs e m i t r a i l e ri san e wk i n do fs p e c i a lt y p eo fw a i l e rw i t h e x c e l l e n tm o b i l i t ya n de c o n o m ya sw e l la sc o n v e n i e n tl o a da n du n l o a dc u p a b i l i t y b e s i d e s ，c o m p a r e d w i t hp r e v i o u sa p p l i e ds e m i t r a i l e ra n da l l - w h e e ls t e e r i n gl i f tt r a i l e r , i th a st h em e r i t so f w i d ea p p l i c a t i o n ， h i g h e rw e i g h t - b e a r i n ga b i l i t ya n dr e a s o n a b l el o a dd i s t r i b u t i o n k e y y o r d s ：c o m b i n e ds e m i t r a i l e r , a l lw h e e ls t e e r i n g ，h y d r a u l i cs t e e r i n gs y s t e m ，p n e u m a t i cb r a k e s y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名时间：知f 年，月才日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 阻 襻 时间：2 卯瞬明k j - h 时间：涮年f 月国咱 中国农业大学硕卜论文 第一章绪论 1 a 曼鼍皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼量量皇曼曼曼暑曼曼曼量曼量詈量詈置量曼曼曼曼曼置量曼皇皇曼曼曼曼舅曼曼曼曼葛 1 1 引言 第一章绪论 目前大件货物运输设备的发展朝着模块化、组合式汽车列车的方向发展。为了适应国家经济 建设的发展要求，在原有半挂车、组合式全挂车的基础上设计开发各类超大、超重、形体特殊的 大件货物运输专用设施以满足运输市场的需求，已市场和经济发展的必然【l 】。 在大型罐体类货物的运输工具方面的困难，国内当前尚没有得到很好地解决，国家一些重点 工程中的大型进口设备，很多是用进口的专用汽车进行运输。不但造价昂贵，而且也存在不灵活 和难适合国内现有货物及道路运输条件的需要等问题 2 1 。此外。在购买时只能在该公司的系列产 品中选购，否则其所收取的高额设计费是国内一般运输单位难以承受的。因此，在国内进行组合 式半挂车的自主研制开发。不但具有良好的市场前景，同时也能很好解决此类货物的运输困难。 1 2 国内外同类产品的发展现状 在国内，国家发改委公布的汽车产品公告中，目前只有一个厂家可以生产组合式液压全挂车， 但没有组合式液压半挂车的产品记载。 在国外，大型罐体类货物的运输除应用以上全挂车运输方式外，还有采用抬轿式运输车的， 但其托架两侧承重壁板在罐体外侧，壁板厚度及附件加在一起，使运输设备总宽增加l 米以上， 再加上货物宽度，使整个车体宽度达到6 米左右，严重超宽p 】。 组合式液压半挂车在国外已经是一种比较成熟的陆路特种重载运输车型，目前国际上比较先 进的同类产品具备装卸运输灵活、车体自重小、单轴载荷大、货台低等特点，并且轮系采用了机 械转向和液压转向联动的操作方式，极大地提高了其转向的可靠性和机动性p ”i 。代表国外该类 车型先进水平的生产厂家有法国的尼古拉斯( n i c o l a s ) 公司和德国的歌德浩夫( g o l d h o f e r ) 公司等【4 l 。这些公司产品的共同特点是采用液压独立悬挂、机械液压全轮转向、载货平台高度可 自由调节。使用方便、灵活，但进口价格昂贵，大部分国内运输企业没有能力购买。国内只是少 量进口过一些该类产品。 本课题研制开发的重型液压组合式半挂车( 简称组合式半挂车) ，填补了国内没有自行设计 制造该车型的空白，在国内陆路重载运输行业将具有广阔的应用前景。随着国内组合式液压半挂 车产品的研制开发成功，将会大大降低运输企业购车成本，可为国家节省大量外汇，并使汽车改 装生产厂取得良好的经济效益。 中国农业大学硕十论文第一章绪论 1 3l 吨组合式全轮转向半挂车的特点 大型罐体类货物及设备，在化工机械、选配煤、选矿、水泥及建筑陶瓷等诸多行业广泛应用， 它们_ 方面来自国产，还有相当大一部分依赖进口。目前国内此类货物运输多采用平板式半挂车、 低平板半挂车、凹心式半挂车和全轮转向可升降式百吨全挂车。但是，这几种运输方式受车辆结 构的限制，运输大型罐体类货物有一定的局限性，主要有如下方面： 1 普通平板式半挂车由于货台较高，只能运输直径小于3 米、长度小于1 5 米的5 0 吨以下 的货物。 2 低平扳式半挂车也只能运输直径小于3 5 米、长度小于1 2 米的6 0 吨以下的货物。 3 凹心式低平板半挂车可运输直径小于4 2 米，长度小于9 米的8 0 吨以下的货物。 4 全轮转向可升降式百吨全挂车可运输超重型设备，但也由于货台高度的限制，最大可运 输罐体直径小于4 米，同时该设备造价和运输成本较高。 目前，国内在陆路运输超重、超高、超长货物时，大多选用可拼装超重型组合式全挂车，该 车型对大件运输具有一定优势，但也存在一些缺点，如为了增加牵引车轮胎附着力，需要额外在 牵引车上加重；与牵引车之间的牵引杆连接，将增加整车的总体长度等。 所要开发的1 0 0 吨全轮转向组合式半挂车应具备三个主要特点：可实现货台高度自由无级调 整、液压控制半挂车与牵引车同步全轮转向、可纵向任意拼接到适应装运不同货物的重量及形状 需要。 此外，所要开发的车型同时还应具备普通半挂车的一些优点，即：牵引车的驱动桥为组合式 半挂车的前支点，提高了牵引车的附着质量，使牵引车的牵引力能得到充分的发挥：同时又缩短 了整车长度( 在载货台长度相等的情况下) ，使挂车更具整体性及机动灵活性，同时可以。此外， 灵活的组合方式为特型货物的运输开拓了新思路。 1 4 研究目标与研究内容 1 0 0 吨全轮转向组合式半挂车主要与承德陆上先锋工业有限责任公司( 原汽车挂车厂) 共同 开发，该公司具有丰富的特种半挂车的生产经验和能力，在特型车的生产上一直主导国内该领域 的发展趋势。本课题主要以自动控制调节全轮转向、货台高度为前提，完成结构和功能的集成， 使设计出的产品水平达到国内同类产品先进水平 1 4 1 主要研究和实施内容 1 车架的结构设计：车架采用框架承载结构，在满足结构和功能的前提下，降低半挂车的 整车整备质量，使挂车生产成本达到最低， 2 货台升降和实现全轮转向的液压系统方案：根据国内外液压元件生产企业的水平，设计 一套液压系统方案，满足车辆承载货台自由调整、牵引车与半挂车转向完全同步、机械转向和液 压转向联动进行的使用要求。 2 中国农业大学硕十论文 第章绪论 3 半挂车牵引连接装置的设计：设计出一套半挂车牵引连接装置，使其能在保证牵引连接 强度的基础上，随着承载货台的升降，在支撑油缸的作用下自由摆动，以保证牵引车和半挂车的 可靠连接。 4 底盘制动系统、电路系统的设计：底盘制动系统要满足在不同情况下车辆行车制动、驻 车制动和紧急剖动的需要，制动性能要满足国家标准。电路系统要按着国家最新颁布的车辆强检 要求，安装足够的灯光装置。 1 4 2 拟采取的研究开发方法 1 车架的结构设计 技术关键：车架的结构形式、结构模型和结构尺寸设计。 车架拟采用框架式承载结构，并采用高强度的优质碳素结构钢为材料，利用有限元对其进行 优化设计。 2 货台升降和全轮转向液压系统的设计 技术关键：液压系统原理、液压元件的控制及安装。 参照国外组合式液压半挂车的液压系统，结合国内实际，选用优质的液压元件，利用理论计 算和实验相结合的方法，设计本车型的液压系统。 3 半挂车牵引连接装置的设计 技术关键：支撑体和转盘的结构设计。 以普通半挂车的牵引连接装置为基础，增加鹅颈升降和转向机构，利用力学理论对其进行计 算，满足使用要求。 4 底盘制动系统、电路系统的设计 技术关键：三管路制动系统设计和车辆灯光装置的选取。 按着国家车辆制动法规的标准，并经过理论计算，选择优质的制动系统元件。设计车辆制动系统。 车辆电路系统的设计要按着国家强检的要求，确定灯光装置的生产厂家和在车辆上的安装位置。 3 中国农业大硕卜论文 第二章1 0 0 吨伞轮转向组合式半挂车的总体结构 第二章1 0 0 吨全轮转向组合式半挂车的总体结构 2 1 车辆的结构形式 2 1 1 各装置的名称及其功用 如图2 一l 所示为所开发的组合式半挂车的主要结构，它由前后两部分( 即鹅颈部和货台部) 组成“”1 。鹅颈部安装有牵引销、鹅颈转向装置及鹅颈升降装置。半挂车挂靠牵引车后，鹅颈转 向装置与牵引座连接，牵引车转向时牵引座随之转动，通过两个转向油缸将牵引车的转向参数转 换成液压信号传递给后部的转向端梁油缸。鹅颈升降装置有两个升降油缸，其两个支点分别安装 在鹅颈部及货台部，通过控制两个油缸可以升降货台前部或适应货台部液压悬挂的升降，以确保 货台水平；锁紧升降油缸可以使鹅颈与货台在运输过程中刚性地连接成一整体。 圈2 - 1 组台式半挂车主要结构简圉 l 牵引销2 一鹅颈转向装置3 一鹅颈部4 一鹅颈升降装置5 一支腿6 - 中间模块7 一单体连接块8 一后模块 9 液压悬挂装置l o - 转向端粱l l 一转向控制板1 2 - 转向直拉杆1 3 - 悬架臂1 4 - 转向横拉杆1 5 - 铰接轴 货台部主要包括前模块、中间模块及后模块，前后模块是标准的组合式全挂车单模块或单模 块组合，中间模块视载货需要可以是平板梁或凹心梁，可以将前、中、后模块拼装成载重范围为 几十吨至几百吨的组合式半挂车货台。 前后模块还备有机械转向装置和液压悬挂装置。机械转向装置由转向控制板、转向横直拉杆 等组成，转向端粱油缸将接受的牵引车转向液压信号遁过机械转向装置最终转化为各悬挂相应的 转向角度。液压悬挂装置由悬挂臂、悬挂架和悬挂油缸组成，是货台承载及升降的主要部件。 此外，组合式半挂车还同样具备半挂车所必备的支腿、制动系统及电路系统等。分别简要说 明如下： 4 中国农业大硕 论文第二章1 0 0 吨伞轮转向组合式半挂市的总体结构 1 牵引销 与牵引车的牵引座相连。其作用是使牵引车与半挂车连接及拖挂；把牵引车的牵引力传给半 挂车；是牵引车与半挂车相对运动和动力相互作用的传递装置；承受纵向负荷及承受和传递垂直 负荷。 2 鹅颈部转向系统 本系统与牵引销座相连，牵引车转向时引起牵引销座的转动，通过两个液压缸将牵引车的转 向参数转换成液压信号传递给后部的转向端梁，以使后部悬架系统做出相应的转向动作。 3 支腿 本车采用的是联动式手动支撑装置，手柄操纵力小，摇动轻快。在半挂车脱离牵引车后起支 撑半挂车作用，还可通过支撑装置的手摇驱动机构调整半挂车前部高度、以利于牵引车与半挂车 的分离或结合。 4 半挂车轮系转向系统 本系统包括转向控制板、拉杆等 5 。液压悬架系统 它是半挂车主要支撑装置，通过每个悬挂缸上的两个截止阀开关实现货台的升降；轮轴系统 是半挂车的行走装置，采用整体式车轴，可实现全方位摆动，以适应路面的要求； 6 转向端梁机械转向系统 利用枫械杆系将转向端粱1 0 上的转向油缸的转向信号传递给每个悬挂系统，最终使各轴的 车轮都能按正确的方向行驶；半挂车的控制转向是操纵转向端梁l o 上的控制箱来完成的 7 牵引杆 它的部分功能和牵引销功能相同，是半挂车的牵引连接装置，牵引车的牵引力、转向信号等 都是通过牵引杆传递到半挂车的。 一 8 车架 车架是由两个焊接工字型主梁、两个边梁及横梁组成焊合框架，连接着各个主要总成。在框 架上面铺设有花纹板，并承受着复杂的空间力系，是整个半挂车的基础。半挂车车架是由两个焊 接工字型主粱及中横粱组成焊合框架，通过弹性悬挂与轮轴总成连接。在框架上部安装鞍式牵引 座。车轴总成由两根并装1 6 吨级车轴组装而成，每根车轴装有1 2 0 0 2 0 1 8 层级轮胎4 条。悬 架总成为两轴串联弹性悬挂，装有4 架，7 片组合板簧。 2 1 2 悬挂系统 悬挂是由一个工作直径为1 4 0 单作用式柱塞液压油缸组成，该油缸承担了本组轮轴的全部 负荷，通过油缸的伸缩运动以适应凹凸不平的路面及载货台面的自由伸降调节。如图2 - 2 所示。 同一支承点组的液压油缸是互相连通的，在车辆运行时该组形成一封闭的液压系统，使车辆 在不平路面行驶时，同支点组的每一个悬挂承载均匀 每一个悬挂油缸用一根橡胶软管与车体上液压管路相联。当一个缸筒的软管破裂时，如果没 有安全装置，则该缸所属的支承点将整个下沉。因此，在每一个悬挂油缸上。安装有回路安全阀。 这样，如果某一悬挂缸软管破裂，则安全阀会自动切断该悬挂缸的油路，从而该悬挂缸所承担的 s 中国农业大硕十论文 第二章t o o 吨伞轮转向组合式芈挂车的总体结构 负荷将均匀地加到该支点组的其它悬挂缸上去，此时该悬挂所属车轮不承载，处于无负荷状态。 在最大载荷下，当悬挂数减少时，将产生超载的严重后果，因此，使用安全装置并不等于允许在 软管没有更换及安全阀没有恢复正常工作状态下使用。 图2 - 2 悬挂系统在运行过程中的工作情况 悬挂系统的其它组成部分如下： ( 1 ) 制动系统：该制动系统传递的高压气体将能量传给制动器，使得车辆减速或停车，或 使已停止行驶的汽车列车保持不动，从而保证车的行驶安全性。 ( 2 ) 电路系统：它控制列车的照明和信号 ( 3 ) 液压系统：控制货台升降及转向。 2 1 3 车辆的主要技术参数 车辆的主要技术参数见表2 - i 。 表2 - 1 主要技术参数表 项目单位数据 最大长度 2 9 5 0 0 外形尺寸 宽 3 8 0 0 高 2 4 0 0 长 1 5 0 0 0 尺 宽3 8 0 0 货台尺寸 最大高度( 满载)1 0 0 0 寸最小高度( 满载) 7 0 0 全挂车轴距 1 6 0 0 参挂车轴距 半挂车轴距1 3 8 0 全挂车轮距 9 0 0 数 半挂车轮距 1 8 0 0 挂车轮距 最小离地间隙 货台处于最大高度时 3 0 0 货台处于最小高度时 0 长( 挂环孔中心至牵引臂销孔中心) 3 0 0 0 牵引臀尺寸 水平高度 8 4 5 质量 运输设施允许最大总质量l 心 1 6 0 0 0 0 运输设施允许最大装载质量k g 1 2 0 0 0 0 参数 运输设施总装备质量k g 4 0 0 0 0 6 中国农业丈硕 + 论文第二章1 0 0 吨伞轮转向组合式芈挂车的总体结构 允许最高车速 空载k m h4 0 性 满载 k m h1 0 制动距离 空载，初速度3 0 k m h 1 6 5 能 满载，初速度1 5 k m h 3 0 最大驻车坡度 空载 2 0 参 满载 8 全挂车最小转弯直径m 2 2 数 2 0 全挂车离去角( 货台高度8 5 0 m m 时) 全挂车悬挂系统油路额定工作压力v , p a 2 5 0 0 0 2 2 车辆的组合应用方案 2 2 i 组合半挂车的拼接方案 货台部可根据货物的载重及外形尺寸由前、中、后模块拼装而成，也可由中间模块和后模块 拼装，取消前模块l 。图2 3 所示为组合式半挂车的几种拼装方案，其特点是：中间模块可以是 平板梁或凹心梁：前、后模块可以是i 、2 、3 、4 轴线2 纵列式基本组合模块( 单模块) ，也可以 是以上各种单模块的组合。 围2 - 3 组合式半挂车拼装方案 鹅颈部与前中后模块拼装时，货台升降由前后模块的液压悬挂控制，鹅颈升降油缸应浮动伸 缩以适应鹅颈和货台产生的相对位移；鹅颈部直接与中间模块和后模块拼装时，货台前部伸降由 鹅颈升降油缸控制。 7 中同农业大硕 论文第二章1 0 0 吨牟轮转向组合式半挂车的总体结构 2 2 2 组合半挂车的结构设计方案 1 产品的结构设计 ( 1 ) 主要用于承载货物的新型托架结构与牵引车的结合，通过组合结构，使其在结构设计 上即具备半挂车的优点。又能有效减小大吨位货物运输造成的牵引车轴荷、胎荷过高的压力，使 载荷分布更为合理。 ( 2 ) 主要货物承载由可伸缩的刚性结构来完成，可以根据被运物体的长度进行合理调整伸 缩，在保证实现安全可靠运输的条件下，增大了运输设施的灵活性，扩大了可运输货物的范围。 ( 3 ) 货台高度在一定范围内具有灵活、可靠的升降功能。前部的升降通过卧式油缸推动， 利用杠杆原理来实现；后部则由液压升降式模块来实现。货台底面高度升降范围为o 3 0 0 m ，即 装卸货物时，货台底面与地面接触，使货台高度达到最低，有利于货物的装卸，并能在装卸大吨 位货物时，保证刚性较差的托架结构不产生较大弯曲；当装载结束并紧固后，在运输过程中可以 利用货物( 例如罐体) 自身的刚度，保证运输过程中不变形。有效的降低运输设施的自重。同时 在运输过程中可根据运输要求，使地隙在0 3 0 0 的范国内进行调解。 ( 4 ) 运输设施的后半部分与液压升降式全挂车模块组合，组合方式主要是利用一个简单的 定位块，可以方便地与多种组合方式的全挂车模块进行组合。在运输各种不同吨位的货物时，可 以根据货物情况进行临时组合，这种模块式组合方式有利于提高通用件的利用率，降低运输成本。 2 运输拖架与半挂车的连接 运输拖架与半挂车的连接方法同图2 - i 托架主体由两根箱式梁焊合而成，主粱由可伸缩的内、外梁组成，伸缩长度1 4 米，每l 米一个挡位。当货台调整到所需长度时，用穿销将内外粱锁死。两梁之问由弧形横梁连接，用于 承载罐体类货物。拖架前部装有液压升降鹅头。用于实现货台的前部升降。货台前部升降液压系 统，装有两位四通换向阀，用于调控货台升降。调定货台高度后，在鹅头与主梁结合部垫好调整 块并关闭液压系统截止阀，以保持货台高度的稳定性。托架后部高度调整，由调控全挂车模块液 压悬挂系统来完成【”- 2 0 i 。 8 中园农业大学硕卜论文第三章中架结构设计计算 第三章部分车架结构设计计算 3 1 部分车架结构分析 如第二章所述。组合式全轮转向半挂车的重要特点之一就是其能够灵活组合成不同形式的专 用运输车辆，每种组合方式的受力情况都有一定的差别。但半挂车的鹅颈部分往往都是其受力危 险区，因此首先就以本半挂车鹅颈部分为例对其情况加以说明。 本半挂车的鹅颈部分由牵引销( 安装在位置1 ) 、升降液压缸( 安装在位置2 ) ，与货台相连 接的销轴( 安装在位置3 ) 、固定鹅颈位置的偏心块( 安装在位置4 ) 、鹅颈体组成，如图3 - 1 所 示。鹅颈部分采用铰接方式与货台连接，在鹅颈体与货台之间安装了一对升降液压缸。由此液压 缸驱动，能够实现车身的升高和降低。在货台升高或降低后，通过图3 - 1 位置4 处的偏心装置实 现鹅颈与货台的连接。当采用偏心装置连接后，此时可以卸荷油压，载荷完全由偏心块来传递。 偏心块是一具有偏心的块体( 如图3 - 2 所示) ，具有两个平面位置，图示位置为挂车的最低位 置，即货台与地面接触；另一位为偏心块的右边平面位置，对应货台最高位置。即运输中对应的 位置。 圈3 - 1 鹅疆体美置圈圈3 _ 2 信心l 走蕞置田 通过液压缸驱动鹅颈相对货台运动，实现货台的升降。升降后，采用偏心块进行锁紧，可通 过垫片进行调解间隙，使鹅颈与货台成为刚性连接。 3 2 车架结构鹅颈部分有限元优化设计 9 中国农业大学硕卜论文第三章辛架结构设计计算 固3 - 3 鹅颈錾分宥限元同幡圈田3 - 尾座龆丹宥限元同幡田 现根据该组合式半挂车在复杂应用工况时的受力来进行计算校核，这种综合应用方式具有很 强的代表性图3 - 3 和图3 4 分别为鹅颈部分和尾座部分的有限元网格图。 3 2 1 强度分析与结构改进 1 有限元模型的建立 挂车主要部件都是由各种形状的板壳所构成，因此，选用壳体单位建模时作了如下简化： ( 1 ) 货物与车架通过钢丝绳捆在一起。其结构刚度影响车架刚度，建模时考虑了罐体，其 长度和支撑部位的长度相等。 ( 2 ) 板与板之间焊接牢固可靠，在各方面之间进行共线操作，以模拟焊缝。 2 有限元模型的网格划分 有限元软件选用a n s y s 软件。由于挂车具有结构、载荷的对称性，固选取模型的一半进行 圈a _ 5 鹅嗣舒分等效应加 1 0 中国农业大学硕叶：论文 第三章车絮结构设计计算 分析计算。选取三维四节点四边形等参单元s h e l l 6 3 划分网格，s h e l l 6 3 单元是一个弹性壳体 单元，它既可以承受法向载荷，也可以承受面内张力载荷。在单元的每个节点上，具有六个自由 度，即沿坐标轴的位移自由度u x 、u y 、u z 和绕坐标轴转动r o t x 、r o t y 、r o t z 。共划分2 1 3 2 6 个单元t2 6 5 1 8 个节点。为清楚反映鹅颈部分与尾座部分的有限元网格划分，把上述两部分的单 独用图3 - 5 、图3 6 表示。 3 约束条件 ( i ) 边界约柬条件的处理；在剖开位置初施加对称约束以及沿z 轴移动的自由度；前端牵 引销位置，限制沿y 轴移动的自由度；尾座部分与挂车组合单元的接触面上，施加三个平移方向 的自由度，即u x 、u y 、u z 。 囝3 - 6 。鹅颈部分姒向变形团 ( 2 ) 载荷条件的处理：由于取车架的一半作为有限元模型，故载荷也为车架整体受力的总 载荷为5 0 0 k n ，假定以均布载荷方式施加于支撑体上 车身结构第一轮设计完成后，进行样车试用和车身结构强度分析。分析结果显示车身结构有 两处略显薄弱。牵引销处加强梁为2 5 # i 字钢，此处最大应力为1 8 0 m p a ，安全系数偏小。样车 试用时该处也显示弹性变形较大，长期使用有可能产生破坏。根据计算和样车使用状况，第二轮 设计对该处结构进行了改进，将原2 5 # i 字钢改换为高3 0 0 m r n ，翼板厚2 5 r a m ，腹板厚1 4 r a m 的 焊接工字粱。设计改进后该处最大应力降低为1 3 5 m p a ，明显的提高了该处的强度。 车架的最大等效应力出现在鹅劲与主要部分连接的偏心块处，其等效应力为1 8 6 m p a , 。尾座 处的等效应力最大值为4 3 m p a ，出现在尾座的加强筋处。其中，等效应力是采用v o nm i s e s 强度 理论计算的。 1 6 m n 材料的屈服极限为3 5 0 m p a 。弹性模量取e - - 2 1 0 0 0 m p a ，波松比v - - 0 3 。对载重汽车而 言，对称动载一般为2 5 3 之间，由于该车速度不高，故取动载系数为1 4 ，因此安全系数 k = 1 4 + 1 ，4 = 2 1 。许用应力为1 6 7 m p a ，最大等效应力1 8 6 m p a 。比许应力1 6 7 m p a 稍大，但远小于 屈服极限，且由于出现在偏心块处，是容易更换的零件，因此认为符合强度要求。 中圆农业大学硕 一论文 第三章乍架结构设计计算 3 2 2 实际使用考核与结构改进 经过进行结构分析，另一处最大应力点为鹅颈与主梁接触部的支承块，该点接触应力为 2 1 0 肝a ，分析表明长期使用，支承块与主梁接触表面将产生破坏。为改善该处应力状况，第二轮 设计增大了支承块的接触面积，应力状况得到了明显的改善。 3 2 3 鹅颈处升降油缸安装位置的改进设计 最初设计鹅颈处升降油缸为垂直倾斜3 0 。角放置，此种设计油缸轴线与回转轴的垂直距离为 8 2 0 衄，计算举升力为8 3 0 k n ，设计的举升储备力较小，一旦系统油压力因某种原因下降则可能造 成举升困难。设计改进后将油缸放置在鹅颈上方的水平位置，油缸轴线与回转轴的垂直距离为 1 0 2 0 m 。举升力达到1 0 3 0 k n ，能够保证运输设施在达到最大载荷时所需的举升能力。 中国农业大学硕十论文 第朋章牟卞液压系统的开发设计 第四章全车液压系统的开发设计 组合式半挂车液压系统主要有两大功用：货台升降和挂车转向。如图4 - 1 所示为某一型号组 合式半挂车液压系统原理图 卜转向端粱2 - 转向截止阀3 一转向端粱油缸4 一组合换向阀5 一悬挂截止阀6 一安全阀7 一后模块8 一前模块 前模块转向缸l o - 鹅颈升降换向阀1 1 一鹅颈升降缸1 2 一鹅颈转向缸换向阀1 3 一鹅颈转向缸1 4 - 鹅颈1 5 一动力机 田4 - ! 蛆台式半挂车液压系统原理田 4 1 货台升降液压系统原理 4 1 1 货台升降装置设计 货台可升降是该车型的主要特点之一。货台升降由液压悬挂系统完成。悬挂油缸选用单作用 拄塞缸，通过球头与悬挂臂及悬挂架相连接。在液压力作用下柱塞缸往外伸，悬挂臂与悬挂架之 夹角不断张大，货台可由最低伸至最高。在货台及货物自重作用下柱塞缸往回收，货台可降至最 低，同时通过悬挂油缸的伸缩运动，挂车还可以适应凹凸不 平的路面。货台升降设计原则是除了满足各部件结构强度 外，柱塞缸工作行程范围为l s 。时能得到规定的货台高度 的伸降范围。 1 货台升降系统 为了保持挂车的平衡，挂车的载货台面支承在三个点 上，通常称为三点支承( 如图4 2 ) 。每一支承点的高度可以 通过操纵组合换向阀进行控制，以实现载货台升降。 三陵 三个支承点载荷的分布是以液压方式通过适当调整装圈4 - 2 支承三角形 于每个悬挂油缸前的两个截止阀的启闭而得到，前模块悬挂2 个悬挂缸为前支点，后模块左 中国农业大学硕卜论文 第四章争卞液压系统的开发没计 边2 个悬挂缸为左支点，后模块右边2 个悬挂缸为右支点。以前支点为例介绍载货台升降回路， 左右支点升降与其相近。 前支点升回路：油箱。液压泵_ 组合换向阀_ 悬挂截止阀_ 安全阀_ 前支点悬挂油缸。 前支点降回路：前支点悬挂油缸寸安全阀_ 悬挂截止阀一组合换向阀_ 油箱。 2 组合半挂车后模块的调节 ( 1 ) 后模块的使用及调节 挂车的载货台面的三个支承点形成一个三角形支承面，载荷的重心不得超出这个平面，否则 会发生挂车倾覆的危险。 ( 2 ) 支承三角形的三个支承点是三组悬挂的中心，如图4 - 2 所示。 ( 3 ) 支承三角形的三个支承点载荷的分布是以液压方式通过 适当的调整装于每个悬挂缸的两个截止阀门的启闭而得到的。如 图4 - 3 所示。 ( 4 ) 调整时将截止阀甲打开，乙关闭，则该悬挂被编入中间 支点。 田4 - 3 截止阀的调整 ( 5 ) 调整时将截止阀乙打开，甲关闭，则该悬挂被编入左支点或右支点。 为了适应货台的升降，鹅颈部升降油缸必须处于浮动状态，因此应打开油缸前方的截止阀；在 货台高度调整结束后，必须关闭此截止阀，确保鹅颈与货台只n 性连接。 4 1 2 鹅颈升降装置设计 如图4 - 4 所示，在货台伸降对鹅颈部由于与货台铰接，必然会与牵引座一起纵向摆动一个角 度，经设计计算货台高度在规定范围变化时该摆动角最大为4 0 ，资料表明双自由度牵引座纵向 摆角为1 5 。，由此说明货台的伸降利用了小部分的牵引座纵向摆角。因此，在运输过程中应尽 量采用中间货台高度，此时对牵引座纵向摆角没有任何影响，否则将会牺牲部分牵引座纵向摆角。 降货台至最低常用货台高度升货台至屉高 田4 - 4 组合式半挂车鹅颈升降设计 货物运输时，鹅颈与货台应刚性连接。货台升降时，鹅颈与货台又有相对位移，鹅颈伸降液 压缸可以满足该项要求。通过设计计算确定缸的安装位置，使缸工作行程范围为l + s ( l 为液压 缸长度，s 为液压缸工作行程) 时能得到对应的货台高度范围。此外选用液压缸还必须满足运输 时鹅颈与货台刚性连接时力的要求，同时还必须考虑没有拼装前模块时升降货台前端负荷需要。 1 4 中国农业大学硕卜论文第阴章伞车液压系统的开发设计 4 2 半挂车液压转向系统设计 4 2 1 转向系统工作原理 组合式半挂车有随动转向和控制转向两种转向方式，当挂车转向信号来自于牵引车时称为随 动转向；当由液压动力机组来控制转向时称为控制转向。 1 随动转向 正常行驶情况下，采用随动转向，即组合式半挂车转向信号来自牵引车的转向，应将转向回 路与液压动力机组断开。此时鹅颈转向缸换向阀处于左位，转向截止阀打开。转向液压信号由鹅 颈转向缸( 无杆腔) 传递给前模块转向缸( 有杆腔) 。同时由前模块转向缸( 无杆腔) 传递给转 向端梁油缸( 无杆腔) ，转向端梁两油缸有杆腔通过打开的转向截止阀连成回路。最后由前后模 块各自的机械转向装置将随动转向液压系统传递过来的牵引车转向角度转化为各悬挂相应的转 向角度。 2 控制转向 在转向困难的条件下采用控制转向，即由液压动力机组来控制转向，而与牵引车转向无关， 应截断挂车转向缸与牵引车转向信号的联系。此时鹅颈转向缸换向阀处于右位，转向截止阀关闭， 可通过操纵组合换向阀上的转向控制阀控制转向端粱油缸，同时将转向信号由端梁油缸( 无杆腔) 传递给前模块转向缸( 无杆腔) ，前模块油缸有杆腔通过打开的截止阀连成回路。最后同样由前 后模块各自的机械转向装置控制各悬挂做相应的转向。 4 2 2 转向系统液压组合设计 当挂车随动转向时，由于结构的特殊性该车型最大转向角为4 5 。如图4 - 5 所示为某一挂车 翳如豸 蓦斟圜斟 l “耧 一 昧刻心 & 斜絮吨蛹 b 斛援一l 嵫心 匡引凰缀 ， l7、蝴嘲l “f “。、心蝴概懒 田4 - 5 组台式半挂车随动转向示意田 最大转向角时的随动转向示意图，选定牵引车的某一驱动桥及挂车某一轴( 如后模块第一轴) 为 定轴，其轴线延长线相交于转向中心，可用图解法获得汽车列车的最小转弯直径和最大通道宽度， 还可计算出其它各液压悬挂轮胎的转向角。如何将牵引车的转向角0 转化为各轮胎的正确转向角 1 5 中国农业大学硕士论文 第四章伞车液压系统的开发设计 度c l 、a7 、b 、b ，y ，y 、 和 ，是转向设计的一个要害。首先由鹅颈转向缸采集牵引 车转向角度信号，通过液压传动方式转化为前模块和端梁转向缸转角o ，关键是两种转向缸流 量、缸径、行程的匹配：接下来由机械传动方式将转角o 转化为各悬挂轮胎的正确转向角度， 为满足不同拼接长度货台的转向要求，转向控制板、转向横拉杆设计为可调式并有多种尺寸型号。 4 3 液压件的控制及安装 本节主要介绍车辆液压件的选型与设计控制。 1 液压冲击的设计预防措施 在本组合式半挂车的液压系统中，液体流动方向迅速改变或停止运动。如换向阀迅速换向、 液压缸或液压马达迅速停止运动或改变运动速度，会使液流速度迅速改变。由于流动液体惯性， 会引起系统内压力在某一瞬间突然急剧上升，形成油压峰值，这种现象称为液压冲击。 液压冲击不仅会影响液压系统的性能和工作可靠性，还会引起振动和噪声、联接件松动，甚 至使管路破裂、液压零件和测量仪表损坏。在压力高、流量大的系统中，其后果更为严重。因此 研究液压冲击产生的原因及排除方法，对提高液压系统的性能的着非常重要的意义。 液流换向时产生的冲击如图4 - 6 所示，当换向阀移到中间位置时，压力油液突然与液压缸切 断，此时由于运动部件及液流的惯性作用，使液压缸一端油腔中的油液受到压缩，压力突然升高， 而另一端油腔中压力下降，形成局部真空，因此液流换向时便产生液压冲击。 排除方法如下：改进换向阀阀芯进、回油控制边的结构，使换向阀换向时，液流动运状态逐 渐改变。因此把换向阀阀芯控制边做成锥角，或开轴向三角槽，锥角一般取1 5 q 4 0 ，锥长视密封 长度而定；三角槽结构如图4 7 所示。 一般液压缸两端均设有缓冲装置，使液压缸在全行程工作( 即从起始端运动到终端) 时能平 滑停止。但当活塞在行程中途停止或反向运动时，由于运动部件和液流的惯性，仍会引起剧裂的 冲击。本课题在吸取以往经验的基础上，对这种现象采取了预防措施。 圈4 - 6 换向阀处于中位时的液压冲击圈4 - 7 换向阔芯上的三角槽 排除方法如下：在液压缸进出油口处设置反应快、灵敏度高的小型溢流阀或顺序阀，以消除 冲击。其原理如图4 - 8 所示。此时溢流阀的调定压力应比系统最高工作压力高5 - 1 0 ，以保证 系统正常工作。 1 6 中国农业大学硕t 论文 第四章伞车液压系统的开发设计 液压系统某些局部由于种种不易克服的原因而产生液压冲击，可采用皮囊式波纹型蓄能器来 消除，如图4 - 9 所示。蓄能器应尽可能安装在容易发生冲击的地方，并且应该垂直安装，使油口 在下方，气体部分在上，否则将影响蓄能器正常工作。 由于本半挂车的液压系统较为复杂，管路多、拐弯多，为了减小液压冲击，应尽量缩短管路 长度，减少管路弯曲，在适当的部件接入软管，对减小冲击和振动有良好的效果。 压力阀调整不当或发生故障，会使油温过高，泄漏增加，节流和阻尼作用减弱，系统中进入 大量空气等，这些都会易引起液压冲击。 蔓接向 图4 - 8 用阀几缓冲 田4 - 9 用蓄能器缓冲 针对这些实际情况可采用如下措施：例如对压力阀应排除其故障，并合理调整其工作压力； 油温较高，应找出产生温升的原因，并加以排除，在不能在效地排除温升故障的情况下，可更换 牯度较高的油液，以保证节流缓冲装置能稳定工作；系统中有大量气体，应针对进气的原因予以 解决，如检查各管接头是否漏气，特别是泵的吸油系统，容易进入空气。 ( 1 ) 液压冲击的原因分析及对车辆的冲击影响 在所设计的车辆液压系统中，有很多如图4 - 1 0 所示的组成部分。在管道一端有较大的空腔( 例如 液压缸、蓄能器) 与管联接，在管道的另一输出端 装_ 阀门。因为空腔的液