（机械工程专业论文）三十吨散装物料自卸半挂车的研究与设计.pdf

摘要 摘要 近年来，伴随着我国现代经济建设突飞迅猛的发展，对专用车辆的需求和保有 量日益增加，而且对品种的要求也越来越多。在公路建设日新月异的今天，专用车 辆也向着大吨位、节能、环保、轻量化的方向发展。自卸半挂车形式多样化，为企 业生产和运输带来了极大的社会和经济效益。广博的市场需求使生产自卸半挂车的 企业如雨后春笋，竞争日趋激烈。为了更有效的提高自卸半挂车的工作效率，增加 它的功能，提升企业的竞争能力，经过分析和市场调研，结合工程实际设计了一种 新型的重型自卸半挂车。研究内容包括： 1 ) 选择车辆的结构形式，完成对自卸半挂车的整体结构设计和选材。 2 ) 利用有限元分析软件分别对自卸半挂车车架的几种工况进行强度、刚度分 析，并进行优化设计。 3 ) 设计顶棚马达操纵机构和卷筒组件，保证车辆的环保运输。 4 ) 设计自卸半挂车的液压系统，实现货厢自卸和顶棚开启的操作。并通过分析 和计算完成主要液压元件的选型。 5 ) 设计重型自卸半挂车的气压制动系统，并加装a b s 附加系统，提升列车的制 动性能。 本课题主要是结合了自卸车和半挂车的优点，设计出的一种能广泛应用于粮食、 采矿业、能源运输业、矿粉运输业、建筑业、电厂、钢厂、公路道路施工等诸多行 业的散装物料运输，具有自卸、安全、稳定、高效、环保功能的重型自卸半挂车， 预期载重目标为三十吨。 关键词：自卸半挂车；有限元分析；液压系统；气压制动系统；a b s 系统 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e e df o rs p e c i a lp u r p o s ev e h i c l e s ( s p v ) i n c r e a s e sw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f o u rm o d e r ne c o n o m i cc o n s t r u c t i o ni nr e c e n ty e a r s m o r e o v e r ，t h ea m o u n ta n dt h el y p e so f s p e c i a lp u r p o s ev e h i c l e sa l s oi n c r e a s ed a ya n dd a y t o d a y ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fs p v t e n d st ol a r g e - t o n n a g e ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dl i g h tw e i g h t w i t ht h er a p i dc h a n g i n go fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n t h es e l f - u n l o a d i n gs e m i - t r a i l e r s ( s u s a 3 w h i c hh a v em a n yt y p e sm a k er e m a r k a b l es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i tf o re n t e r p r i s e p r o d u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n o w i n g t ot h e s t r o n gm a r k e td e m a n df o rs u s t ，t h e c o m p e t i t i o na m o n ge n t e r p r i s e sw h i c hm a n u f a c t u r es u s ti n c r e a s e sw i t l lt h em u s h r o o m d e v e l o p m e n to fs u s t i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fs u s ta n di n c r e a s ef u n c t i o n so f s u s t ，an e wh e a v y - d u t ys u s tw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ef a c to fp r o j e c t s t h e r e s e a r c hc o n t e n t so ft h en e w h e a v y d u t ys u s t a r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h eo v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g n , t h es e l e c t i o no fm a t e r i a l s ，u s i n ga n dm a i n t a i no fa n e wt y p es u s tw a sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h en e ws u s t 2 ) t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h en e ws u s t sf r a m eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s w e r ea n a l y z e du s i i 培f m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 3 ) t h er o o fm o t o rc o n t r o lm e c h a n i s ma n dt h er o l l so fc o m p o n e n t sw e r ed e s i g n e dt o e n s u r eg r e e n t r a n s p o r t 4 ) t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo f t h en e ws u s tw a sd e s i g n e dt od u m pc a r g ob o d y a n dt oo p e nr o o f t h em a i nh y d r a u l i cc o m p o n e n t sw e r es e l e c t e db ya n a l y z i n ga n d c a l c u l a t i n g 5 ) t h ea i rb r a k es y s t e mo fn e wh e a v y - d u t ys u s t 诵t 1 1a b sa d d i t i o n a ls y s t e mw e r e d e s i g n e dt oi m p r o v et h es u s t sb r a k i n gp e r f o r m a n c e w i t ht h em e r i t so fb o t hs e l f - u n l o a d i n ga n ds e m i - t r a i l e r s ，an e ws u s tw a sd e s i g n e d t ob eu s e di nm a n ya r e a ss u c ha sf o o dt r a n s p o r t , m i n i n g ，e n e r g ya n do r et r a n s p o r t , c o n s t r u c t i o n , p o w e rp l a n t s ，s t e e lm i l l s ，a n dh i g h w a yc o n s t r u c t i o n i na d d i t i o n , t h en e w s u s t , w h o s ee x p e c t e dt a r g e to fl o a di s3 0t o n s ，h a v et h ea d v a n t a g e so fs e l f - u n l o a d i n g ， s a f e t y , s t a b i l i z a t i o n ，h i g h - e f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e yw o r d ss e l f - u n l o a d i n gs e m i - t r a i l e r s ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；h y d r a u l i c p r e s s u r es y s t e m ； a i rb r a k es y s t e m ；a b ss y s t e m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 随着社会的发展，自卸车在二十世纪五十年代应运而生，自卸车的问世是一场 重大的技术革新，是有效节省劳动力、降低劳动强度、提高生产效率的特色产品。 自卸车又称翻斗车，是指通过液压或机械举升而自行卸载货物的车辆，是应用较多、 环境适应能力强的一种专用车，可以运输绝大部分的散货，由于运输货物相对比较 固定，所以具有均衡性强的特点，在粮食、采矿、建筑、矿粉运输、电厂、钢厂的 许多行业都有广泛的应用i t 。目前国内自卸车主要用于能源物流运输( 煤碳、砂石、 矿石等) 和工地道路施工作业，其中煤碳、砂石料、铁粉运输比例占有相当大的比 重。半挂车，是车轴置于车辆重心( 当车辆均匀受载时) 后面，并且装有可将水平 或垂直力传递到牵引车的联结装置的挂车1 2 1 。其设计结构合理，且外型美观，制动效 果好，可靠性高。其次，半挂车设计符合人体工程学，具有装载质量大，装载物品 稳当、结实的特点。缩短了汽车的总长，提高了整车的行驶稳定性和机动性，更重 要的是它的区段运输、甩挂运输、滚装运输还能对我国物流的组织形式起到一定程 度的促进作用【3 1 。与“单体式”汽车相比，半挂车更能够提高公路运输的综合经济效益。 运输效率可提高3 0 5 0 ，油耗下降2 0 3 0 ，成本降低3 0 4 0 【4 l 。正因为自卸车和半 挂车各自特点和优势，所以二者的结合更是绝佳的配合，节省了劳动力、提高了运 输效率、降低了成本，成为汽车行业的一枝独秀。 1 2 国内外研究现状 自卸半挂车最早源于国外，日本、北美、诬欧的技术比较先进，在发达国家随 着基础设施的日趋完善，自卸半挂车市场品种齐全、产品技术含量高，一些新材料 诸如高强度钢板、新型铝合金材料、塑料等的使用，使车身的重量变得更轻，在降 低了能耗的同时，更增加了美感和抗变形能力【射。自卸半挂车正向着大吨位、专用化、 环保、低能耗、高可靠性的方向发展，重点是半挂列车l 翻。但是它们的设备复杂、价 格昂贵。 国内的重型专用车起步较晚，虽然取得了很大的进步，但与发达国家存在着相 当的差距。生产工艺简单、技术含量低、劳动密集，在很多方面还是空白。正因为 有巨大的市场空间，吸引了众多投资者的目光，加上管理不当，造成了正规厂家和 非正规厂家鱼龙混杂，非正规厂家的产品粗制烂造，用户难以在质量、性能和服务 上得到应有的保障，路边野店的拼装车以正规企业无法比拟的价格优势占据着自卸 半挂车市场的半壁江山【7 1 。我国高速公路发展速度举世瞩目，几年内跃居世界第二， 然而与高速公路发展极不相配的是货运水平的低效。在现有的货车中，老旧残破占 1 河北科技大学硕士学位论文 绝大多数，高速公路跑敞蓬车是常态，埋下巨大的交通隐患。货运的效率低下，在 很大程度上吞噬了我国由廉价劳动力、土地等生产要素和低成本的投资环境带来的 竞争优势。所以业内人士认为，要提高运输效率，不仅仅是主机的问题，更要“好 马配好鞍，i 柳。目前我国货运市场普遍存在牵引车与挂车不配套现象。许多主机生产 厂家认为，只有生产牵引车才能体现技术含量，看不到挂车的重要性。结果不少用 户买了很好的牵引车却配不上如意的挂车，发挥不了挂车的优势，运输效率难以提 高。因而在吸收先进引进技术的同时，更应该着力自主创新。 1 3 课题的背景与研究意义 随着经济建设的加快和人们需求的提高，对自卸车半挂车的要求也会越来越高， 其用量也不可估量，整个自卸车半挂车行业发展前景十分广阔。设备的大吨位、安 全、专用性、轻量性、环保性将是自卸车半挂车的发展趋势 同时从国家的宏观经济环境来看，伴着振兴老东北、西部大开发、城市化进程 的加快、大型发电工程、交通等大型项目的上马，必将首先带来能源、公路交通、 城市基础设施建设的大力发展，势必推动整个专用车辆市场的发展，而且这些建设 和规划不是一朝一夕就可以完成的，在很长的一段时间内，专用车辆都有着很大的 发展机遇。尤其是重型专用车辆更是进入了大变革和大发展的时代1 9 】。2 0 0 8 年底， 国务院推出了拉动内需的四万亿投资计划，这其中大部分资金投入到基础设施建设 领域，这些项目的建设将需要相当数量的自卸专用汽车。国民经济的快速发展，使 自卸汽车成为了市场热点，其产销量大幅度增加，据统计，自卸车在中重型卡车市 场需求量上约占百分之四十的份额，成为了卡车市场的兵家必争之地。从第六十二 届汉诺威商用车展上来自四十八个国家的二千零六十六家企业参展的产品可以看 出，自卸车、半挂车产品占有相当份额的比重，而且这些产品突显了专用化、轻量 化、环保性的特色，也代表了自卸车未来发展的方向【l 叫。在国内，随着治理超载和 环保的要求，国内重型车飞速发展，在车型和产品结构方面都发生了巨大的变化。 这也要求自卸车在种类、结构、车辆材料方面与时俱进，改良结构、优化设计、创 新品种从而抢占先机，提高企业的竞争力。 本文所述的三十吨散装物料自卸车半挂车正是在充分的市场调研的基础上提出 的，是一种新型的重型汽车列车。这种车型充分集中发挥了自卸车和半挂车的优点， 提高了自卸车半挂车的工作效率和经济性。从整体结构方案确定、总体参数确定、 车架、牵引联结装置、液压举升系统、制动系统至顶棚马达操纵机构及马达卷筒组 件进行了优化设计和创新设计，使其工作效率、应用范围、经济性、安全性、适应 恶劣环境的能力、外观美感及环保性都有了很大的提升。随着我国基础设施建设步 伐的加快，更多基建项目的上马，该车能够广泛地应用于矿粉运输业、建筑业、采 矿业、钢厂、能源运输业、电厂、公路道路施工等诸多行业。使商家在自卸半挂车 2 第1 章绪论 的巨大的市场空间下，从林立各大商家的激烈市场竞争中，捕捉商机，赢得成功。 目前自卸车半挂车行业还处于较低水平，可以说，多少年来自卸车技术一直没 有多大突破，主要表现在材料、结构、工艺、技术含量、耐久性、安全性、环保性 等方面，缺乏核心竞争力，大多表现“傻大笨粗形象，只是从满足功用上入手， 不注重结构设计，经常出现液压举升时翻车、自卸车货箱突然“翘起变形”、半挂车 制动不平稳、散热性不好等事故发生，箱体的变形还会引起机构的磨损不均匀，出 现局部的应力集中，产生裂痕，随时可能发生危险。缩短了使用寿命，而且维修的 时间间隔也是越来越短。 所以我们分析，在国家大力加强基础设施和加快城市化进程的今天，三十吨散 装物料自卸车半挂车的生产必将大幅度提高企业的竞争实力，一定程度上满足了用 户在新形势下对产品的新的要求，加快了新产品开发的进度，为市场提供了高技术 含量、高附加值的专用汽车产品，并将对整个重型专用车行业产生重大影响。 1 4 课题的研究内容 3 0 吨散装物料自卸车半挂车的设计中需要解决的主要问题有以下几点： lj 进行带棚厢式自卸半挂车的设计，确定整体结构方案和总体参数。 2 ) 利用有限元分析软件分别对自卸半挂车的车架的几种工况进行了强度分析， 并进行优化设计，在满足结构的强度和刚度的前提下，降低自卸半挂车的整备质量， 减少制造成本。 3 ) 设计顶棚马达操纵机构，设计马达卷筒组件，并进行强度计算，有效的防止 了货物在运输过程中的污染和货物的飞出造成交通事故，提高行人的安全系数，保 证货物的环保运输。 4 ) 对液压系统进行设计和计算，设计液压系统原理图，计算各参数，并依此进 行液压元件的选型，确保设计结果标准化、系列化、通用化。 5 ) 按国标的要求设计重型自卸半挂车的底盘气压制动系统，并加装了a b s 附加 系统，提升列车的制动性能，满足车辆在不同情况下的行车制动、紧急制动以及驻 车制动的需要。 1 5 课题的创新点 ( 1 ) 设计出新型的重型自卸半挂车，能够广泛适应散装货物运输的需要 目前使用的自卸半挂车，大多是改装车，不仅工艺简单且傻大笨粗，只从满足 功用的角度出发且一般的吨位较小，本设计着力自主创新，使其工作效率、经济性、 应用范围、安全性、适应恶劣环境的能力、外观美感及环保性都有了很大的提升。 ( 2 ) 优化整体结构，提高车辆的运输效率 采用高强度钢板、优化整体结构、减轻整备质量，从而提高运输效率。 3 河北科技大学硕士学位论文 第2 章自卸半挂车的整体设计 2 1 重型自卸半挂车的结构 2 1 1重型自卸半挂车的组成 重型自卸半挂车是由半挂车和车厢两大部分组成。车厢的顶盖采用滑动顶棚。 其特点是：货物运输安全可靠，并实现环保运输，车厢的栏板高、车厢的容积大， 从而保证相应的装载质量。车厢的栏板采用高强度钢板，比普通的栏板薄，从而将 其自身的重量减轻并增加了载货量，车厢的开启栏板边沿有密封装置，保证运输过 程中货物不会发生泄漏现象。半挂车与牵引车采用牵引销连接，因频繁的甩挂，要 求各部件有坚实、稳定、牢靠的基础，同时还要减少碰撞产生的噪音，结构设计的 关键是车架的承载结构，以高强度的优质碳素钢为材料。结构简图如2 1 、2 2 所示。 图2 i 自卸半挂车的结构简图 f i l ；2 - 1t h es t r u c t u r ed r a w i n go f s e l f - u n l o a d i n gs e m i - t r a i l e r s 1 牵引连接装置2 车架3 液压系统4 支承装置5 侧护栏6 悬挂系统7 轮轴系统8 一翻转装置9 - 车厢 l 阻气压制动系统1 1 箱门开启机构1 2 预盖1 3 工具箱1 4 拉杆稳定机构1 s 顶盖开启机构1 6 举升液压缸 图2 2 自卸半挂车的举升状态图 f i 9 2 - 2l i f ts t a t u so fs e l f - u n l o a d i n gs a n i - m l i l e r s 4 第2 章自卸半挂车的整体设计 2 1 2 重型自卸半挂车的主要参数 ( 1 ) 挂车的类型：自卸半挂车 ( 2 ) 外形尺寸：8 5 0 0 r a m 2 4 9 0 m m 3 6 2 0 r n m ( 长x 宽高) 车架尺寸：8 2 0 0 r a m 1 1 4 0 m m 1 5 5 3 m m ( 长宽高) 车厢尺寸：8 0 0 0 m m 2 4 9 0 m m 1 5 0 6 m m ( 长宽高) ( 3 ) 主梁中心距：9 0 0 m m ( 4 ) 轴距：2 4 9 0m m ( 5 ) 后轴距离：1 3 8 0m m ( 6 ) 举升缸至后铰轴的距离：7 7 5 1m m ( 7 ) 载重量：3 0 吨 ( 8 ) 空车的自重：8 吨 ( 9 ) 最高车速：9 0 k m h 2 1 3 重型自卸半挂车的结构及功用 ( 1 ) 牵引连接装置牵引连接装置是将牵引车和自卸半挂车联结在一起，是二 者动力作用的传递装置，并将自卸半挂车的部分荷载传给牵引车，牵引连接装置包 括牵引销和牵引座( 鞍座) ，牵引车的牵引座通过牵引销与自卸半挂车相联结，并通 过牵引销实现牵引车与自卸半挂车的拖挂及连接。牵引销的尺寸在国标中有明确的 规定，最大总质量小于或等于5 0 吨半挂车选用5 0 号牵引销，本车小于5 0 吨，因而 选用s 0 号牵引销，结合直径为5 0 8 r a m ，即2 1 1 1 。牵引销的材质采用4 0 0 r 材质，表 面经过淬火处理，硬度达到h r c 5 0 5 5 。牵引销与自卸半挂车的联接方式采用a 型 连接方式，在自卸半挂车的牵引板上焊一块支承板，牵引销上部的法兰盘与支承板 用8 个m 1 4 螺钉连接，这样可以很方便地更换牵引销。 ( 2 )支承装置自卸半挂车的支承装置是在其脱离牵引车后，用以支撑前部质 量的辅助装置。它安装在自卸半挂车左右纵梁的前端，通过装置的手摇驱动机构调 整自卸半挂车前部的高度，以方便与牵引车的联挂和脱挂，在运行状态时收起。本 车采用的是两级齿轮传动的支承装置，具有结构简单，整备质量小、足够的强度， 无负荷时快速升降，有负荷时慢速升降，以减轻手柄力且工作安全可靠。 ( 3 )悬挂系统挂车悬挂是将车架与车轴或车轮相连的全套装置的总称。其主 要作用是传递作用在车轮和车架之间的各种力( 垂直力、纵向力和横向力) 和力矩 ( 制动力矩和反作用力矩) ，并减轻和削除由不平路面通过车轴传递给车驾的冲击荷 载和振动，以改善挂车行驶的平顺性。本车设计为具有较大装载质量，因而采用两 轴系，为保证各轴车轮与地面均有良好的接触和附着，使用平衡悬架1 羽。每副钢板 5 河北科技大学硕士学位论文 弹簧根据不同的最大装载质量的要求由不同的片数组成，该种平衡悬挂在前后两组 钢板弹簧间装有平衡架，如图1 3 所示。它用支架悬吊在车架上。钢板弹簧端部采用 滑板式结构与平衡臂连接，在不平的路面上靠平衡臂的平衡作用使前后车轴的位置 与路面高低相适应，使其负荷质量保持均衡，这样车轮与路面均保持良好接触，使 自卸半挂车具有良好的附着性能。平衡臂、平衡臂轴和支架间装有锥形橡胶衬套， 即可缓冲、耐磨，又不需润滑，车轴的牵引是采用可调拉杆( 或不可调拉力杆) 实 现的。通过拉力杆长度的调整，可以将车轴中心线调整到和车架纵向对称线相互垂 直的理想位置，从而减少了车辆行驶中因侧滑引起的车轮非正常磨损。 12 3 碧 6 1 1 弧3 1 一前板簧座：2 u 形螺栓：3 钢板弹簧：4 一后板簧座；5 一弹簧座；6 3 f 衡架总成：7 一拉力杆总成：8 一轴架 图2 - 3 双轴平衡悬挂结构图 f i 9 2 - 3t h es t r u c t u r ed r a w i n go fb i a x i a le q u i l i b r i u ms u s p e n s i o n ( 4 ) 车轴自卸半挂车的车轴是非驱动轴，安装在悬挂平衡的轴颈上，它按允 许轴载质量要求而有不同结构形式和不同的尺寸，本车设计载重3 0 吨，采用带自动 转向的车轴，此车轴是根据荷载的不同对转向进行调解和稳定的原理进行设计的。 车轴的轴梁和转向销通过波动压力轴承连接在一起。当车辆在直线运行时，车辆自 重使上下两块波形压力板相互紧密啮合在一起，从而保持了车轮的直线运行，但当 6 第2 章自卸半挂车的整体设计 自卸半挂车转向时，压力轴承的波形齿面发生错位，从而抬高轴梁，使车轮自动转 向，并根据荷载的情况不同，转向角限制器能够自动控制最大的转向角度，与此同 时转向横位杆又使得车轮的转动瞬时中心重合。和普通车轴相比，该种车轴在转向 时的转弯半径可减少百分之十，而且使得自卸半挂车操作灵活，转向时所需道路宽 度变窄，同时减少了轮胎的磨损，能够更好地适应国内的路况。 ( 5 ) 车轮车轮介于轮胎和车轴之间，是承受负荷的旋转组件。本自卸半挂车 采用双式车轮，即在车轴的一端安装两条轮胎，每根轴装有四支充气轮胎，车轮使 用组装轮辋式车轮，内外轮用一个螺母安装在轮毂上，轮胎使用充气压力为0 9 5 o o z m 型号为1 1 0 0 r 1 5 钢丝胎，钢圈( 1 0 孔) 幅板厚度为1 4 m m ，幅板的偏距是 1 4 4 m m 。 ( 6 ) 制动系统制动系统是自卸半挂车设计的重要环节，是列车安全行驶的前 提保障，除牵引车有制动系统外，牵引车必须有自己的制动系统和驻车系统。本自 卸半挂车采用的是改进的双管路双回路制动系统，同时加装了a b s 附加系统，更有 效地保障了行车和驻车的安全。 ( 7 ) 液压举升系统液压举升系统是使车厢按一定角度倾斜顶起并回落到初始 位置的系统。该系统设计的好与坏将直接影响整备的性能和生产效率，本半挂自卸 车采用前置式举升设计，液压缸选用荷兰海沃多级伸缩末级双作用液压油缸，有效 地解决了货厢在举升终点时的限位和回落时的限速，使举升快速、平稳、安全。 ( 8 )电气系统电气系统是挂车行车指示和警示，是保证车辆行驶安全不可小 觑的重要组成部分，尤其是在夜间和恶劣的气候条件下更显意义重大。该系统包括 汽车灯具、电缆线、电线卡和电连接器。电连接器采用国标要求的2 4 v ，电缆用7 芯电缆，灯具包括倒车灯、牌照灯、示廓灯、制动灯转向信号灯和挂车三角反光器。 ( 9 ) 车架自卸半挂车的车架为主梁式结构，纵梁为优质高强度成型工字钢，横 梁采用优质钢板冲压成型，横梁与纵梁连接采用穿梁式结构，增加了车架的抗扭强 度。为解决自卸车后倾长度超过8 m 时老式结构后门开启经常失效的情况，采用了 典型的机械强制开启式后门结构。 2 2 本章小结 本章介绍了3 0 吨散装物料自卸半挂车整体结构，同进介绍了自卸半挂车的各结 构的功用。 7 河北科技大学硕士学位论文 第3 章自卸半挂车车架结构有限元分析与优化设计 车架是自卸半挂车的承载机体，它承受各种力和力矩，是自卸半挂车的重要组 成部分，同时也是保证车辆安全行驶首要考虑和设计的问题，半挂车车架的性能和 结构将关乎整个自卸半挂车设计的成败。如何发挥整备的性能，降低制造成本对增 强其市场竞争力具有重大的意义。凭借具有强大的分析功能的有限元分析软件 a n s y s ，进行对自卸半挂车车架的力学分析，从而保证车架优化设计的可靠性，是尤 为重要制蚓。 3 1 建立车架有限元模型 本自卸半挂车的车架是按类比法选用c d g 9 3 8 0 p 半挂车车架的结构尺寸。主要是 由2 根纵梁和横梁组成的焊接件，整个车架的材料采用高强度的钢材1 6 m n ，材料的 特性：弹性模量2 1 0g p a 、泊松比0 3 、密度7 8 5x1 0 6 k g m 2 、屈服极限3 4 5 m p a 。在 计算时取动载系数为1 4 ，疲劳极限寿命系数为1 2 1 1 4 1 。 3 1 1车架有限元建模遵循的原则 1 ) 建模时应综合车架的结构和所处工况，在不改变力学性能的情况下可对车架 的结构进行简化处理。忽略纵梁上的所有小孔及在允许地方为安装后开的小孔( 诸 如一些不重要的铆接孔、螺栓孔等) ，同时将纵梁上的圆角、倒角看成直角，这样既 有利于建模的简化，更有利于在建模的过程中截面的提取和网格的划分i l 列。 2 ) 建立起的有限元分析模型在几何及力学特征两个方面应最大限度地无限接近 真实属性。 3 ) 板与板之间的焊接认为牢固，无虚焊松脱现象，材料各向同性。 4 ) 在划分网格时，不但要使任意的两个相邻板壳单元的顶点共顶点。还要最大 限度保证板壳单元的形状规则，有效消除因单元边长过长或者过短导致的内角太大 或太小。对于经过焊接连接在一起的零部件在重合部位的网格节点和单元应重合， 并忽略较小的覆盖件。个别部位允许其退化为三角形板壳单元。 5 ) 为了满足精度求，在建模过程中应依据自卸半挂车车架结构特点和荷载分布 规律，在应力集中和突变的部位的网格相比其余部分应更细密，由密到疏应逐渐过 渡，消除网格尺寸的突然变化。 3 1 2 建立车架立体几何模型 自卸半挂车车架为主纵梁结构，材料为工字型钢和槽钢，这些材料都是薄壁结 构，因而选取s h e l l 弹性壳单元作为a n s y s 有限元分析的单元类型。且该车架的几何 外形平直，因而在构建s h e l l 弹性壳单元刚度矩阵时采用四节点单元就能满足分析的 精度要求，既s h e l l 6 3 1 1 6 l 【切。如图3 1 所示，它是具有弯曲和薄膜描述功能的板壳单 8 。 第3 章自卸半挂车车架结构有限元分析与优化设计 元。在求解该板壳单元刚度矩阵时可以把每一个单元简化为矩形单元，且在任一节点 图3 - i 单元示意图 f i 9 3 lt h es c h e m a t i cd r a w i n go fu n i t s 有6 个自由度，故单元有2 4 个自由度，同时每个子块是6 6 的子阵1 1 8 1 ，因而有： t 陶= - 鑫f f f b t 【d 】【b 】d v ( 3 - 1 ) 阍。：单元的刚度矩阵v ：单元的体积b ：单元的应变矩阵h ：单元的厚度d ：单元 的弹性矩阵 fl 【i i 时= 陋 l k ； k 洫k i q k 啬k 两k k 嘲l 【m q k mk q 皿k q 卅鐾肛九。l s s l d v r - ( 1 ，j ，m ，q ) s - ( i ，j ，m ，q i 一三( 1 + o 三( 1 + 3 主) ( 1 十 【b ；爿 景一羹( 1 + 三)一妻( 1 ( 1 + 3 o | - 一蠡( 4 3 摹一3 壹耋( 1 3 姜) ( 1 一妾( 1 手：1 3 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 通过分析和计算，经过针对壳单元需要的简化处理，在u g 中建立半挂车车架的 立体几何模型，坐标系的布置为：三个相互垂直的坐标轴x 、y 、z 相交于坐标原点o ， 0 点为车架上翼板平面内列车前进方向上边横梁外边线的中点，x 轴与y 轴构成的平 面为半挂车车架上翼板平面，x 轴指向与列车前进方向相反，y 轴指向与x 轴指向沿 逆时针成9 0 。，x 轴与z 轴构成的平面为半挂车车架沿纵梁方向对称的平面，z 轴指 向上，y 轴与z 轴构成的平面为沿边横梁与半挂车车架上翼板平面垂直的平面。导出 车架的片体模型并导入有限元分析软件a n s y s 。如图3 2 所示。 9 河北科技大学硕士学位论文 图3 - 2 车架的几何模型 f i 9 3 2t h eg e o m e t r i cm o d e lo ff l a m e s 3 1 3 有限元模型的网格划分 在设计自卸半挂车车架中，不仅仅要计算结构的变形，同时还要计算应力，为 保证精度，网格的数量取的相对多一些，根据实际的情况，经过综合，取2 0 m m 作 为单元的基本长度【1 9 1 ，共划分6 3 1 8 0 个壳单元，1 3 2 8 6 6 个节点。 3 1 4 约束条件 荷载条件的处理和边界条件的处理对于正确的计算结果是有很大的影响的，荷 载条件处理上，假设牵引销孔处受均布荷载作用。边界条件处理上，因该车的车架 是通过悬挂系统与车桥连接的且为二轴车，属静不定结构，所以必须考虑悬挂系统 的变形。 本车的悬挂为钢板弹簧结构，可以采用组合刚性梁单元与弹簧柔性单元的形式 进行悬挂系统的模拟，如图3 3 ，a 、b 为弹簧单元，c 、d 为刚性梁单元。在有限元 软件中选用c o m b i n l 4 和m p c i 8 4 进行模拟1 2 0 1 。并将吊耳与钢板弹簧之间的节点自 由度进行耦合，最终得到悬挂有限元模型。如图3 4 所示。 1 0 第3 章自卸半挂车车架结构有限元分析与优化设计 图3 - 3 悬挂模拟示意图 f i 9 3 3t h es c h e m a t i cd r a w i n go fs u s p e n s i o ns i m u l a t i o n 图3 - 4 自卸半挂车有限兀模型 f i 9 3 - 4t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs e l f - u n l o a d i n gs e m i t r a i l e r s 3 2 计算结果 在自卸半挂车设计中，满足强度条件是车架设计和计算的第一要求，为保证新 产品的投入和使用，任何的裂纹、断裂、超过限度范围的变形及表面的结构性能变 化是不允许的。a n s y s 有限元分析软件能够有效地描述和分析列车在各种工况下主体 及零部件应力及应变的分布特征，在静力学分析的基础上，剔除由于惯性和阻尼效 应的荷载作用产生的应力和应变，通过改变结构的形状、尺寸以及变更材料的性能 指标做到调整质量和刚度的分布格局，从而使列车的各部分应交和应力最大限度均 衡，进而在减轻质量的同时节省原材料使用和降低油耗，提升整备性能。从第四强 度理论2 1 1 可以得出：材料屈服破坏的首要原因是单元体的均方根剪应力。因而保证 1 1 河北科技大学硕士学位论文 汽车车架的各个组成部分在四种工况下所承受的最大应力值在材料的许用应力范围 内是车架安全的必备条件。因此在第四强度理论的基础上选择v o nm i s e s 等效应力对 车架的强度进行分析是可行的，判别条件如下 强度条件为： q s l 仃j ( 3 5 ) 其中仃，：、去( ( q 一吼) 2 + ( c r 2 - 0 3 ) 2 + ( q 一吒) 2 ) ( 3 - 6 ) y 么 仃l 材料的许用应力 控制方程为： p ) = 斟 d ) ( 3 - 7 ) 其中： a 待求解的荷载向量 斟经过处理的结构刚度矩阵 d 待求解的位移向量 列车在行驶中其荷载形式主要有弯曲荷载、扭转荷载、纵向荷载和侧向荷载等。 它们与载货的数量、行驶的速度、路面的状况、以及驾驶员的操作( 诸如：起动、 转向、制动) 有直接的关系，有动荷载与静荷载之分。全轮着地情况下，车身的自 重及车载货物的质量在重力作用下产生弯曲荷载；路面崎岖不平对车身造成的不对 称支承产生扭转荷载，可以用前角或后角悬空产生的静态最大扭矩来模拟；列车的 加速、减速时的惯性作用力产生纵向荷载；列车在行驶时的转向因离心力的作用产 生侧向荷载2 2 1 【冽；在自卸半挂车车架的研究设计中，根据不同原因产生的四种不同 工况，分别对自卸半挂车车架的有限元模型给以相应的自由度约束和施加不同荷载， 在弹性范围内利用有限元软件a n s y s 对自卸半挂车车架进行相应工况下的应力、应 变计算，从而得到自卸半挂车车架的刚度及强度较核。为优化设计提供依据。 3 2 1弯曲工况 在该工况下列车满载、静止且全部车轮着地，自卸半挂车通过牵引销连接在牵 引车的牵引鞍座上，承受3 0 t 的静荷载，车架有限元模型约束条件为：限制车架与悬 架连接节点在z 方向上以外的所有自由度；约束纵梁前下翼板底面的所有自由度； 纵置弹簧最下方节点只允许在y 方向可以转动。荷载均匀分布，大小为 0 0 9 3 6 k n m m 2 ，与重力方向相同。重力取为惯性荷载，g = 9 8 0 0 m m s 2 ，经分析和计 算得该工况的变形如图3 5 所示，最大变形位于半挂车车架纵梁中部稍靠前，最大位 移为s 1 2 5 m m ，此处的应力值为1 6 5 5 1 8 m p a 。最大应力位于半挂车车架纵梁第一个 悬挂支撑点区域，应力值为1 9 9 8 2 6 m p a ，而在牵引连接部位的应力值也较大，为 1 7 7 5 2 5 m p a ，如图3 - 6 、3 - 7 所示。 1 2 第3 章白卸半挂车车架结构有限元分析与优化设计 s 工e p = 1 s u b = 1 图3 - 5 弯曲工况变形图 f i g3 - 5t h ed e f o r m a t i o nd r a w i n gu n d e rt h e c o n d i t i o no fb e n d i n g ao l u t i t 。k、 w o d ：g工o n j u 一 一7 s 了e 莹= ： s u b = 1 ：工m e = 1 e x p 址q d e d s e q v f a v 6 ) 眦t s 1 2 5 孓喧j = 3 1 _ r 一1 2 s 1 1 9 9 2 2 6 图3 - 6 弯曲工况v o nm i s e s 应力图 f i g3 - 6t h e v o nm i s e s s t r e s sd r a w i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fb e n d i n g 1 3 河北科技大学硕士学位论文 图3 7 弯曲工况应力最大点位置 f i 9 3 7t h ep o s i t i o no ft h em a x i m u ms t r e s sp o i n tu n d e r t h ec o n d i t i o no fb e n d i n g 3 2 2扭转工况 在该工况下，列车满载，且列车的左前车轮处于悬空状态，其余车轮着地，半 挂车通过牵引销连接在牵引车的牵引鞍座上，承受3 0 t 的静荷载，整个车架处于弯扭 组合工况。列车的左前轮下沉l l o m m ，在弯扭状态下的荷载处理和其它约束条件等 同于弯曲工况。 经过分析和计算得到列车扭转工况下车架变形图、弯扭工况y o nm i s e s 应力图、 最大应力点位置如图3 8 、3 9 、3 1 0 所示，从这些图上可以得知变形主要集中于车 架中部稍靠前，位移的最大值为9 6 2 6 m m ，应力的最大值位于纵梁首个悬挂支撑点 部位，大小为2 3 0 1 5 8 m p a 。 1 4 第3 章自卸半挂车车架结构有限元分析与优化设计 图3 - 8 弯扭工况变形图 f i 9 3 - 8t h ed e f o r m a t i o nd r a w i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fb e n d i n g 图3 - 9 弯扭工况v o nm i s e s 应力图 f i 9 3 - 9t h e v o nm i s e ss t r e s sd r a w i n gu n d e r t h ec o n d i t i o no fc r a n k l i n g 1 5 河北科技大学硕士学位论文 图3 1 0 弯扭工况应力最大点位置图 f i 9 3 - 1 0t h ep o s i t i o no f t h em a x i m u m s t r e s sp o i n tu n d e r t h ec o n d i t i o no f c r a n k l i n g 3 2 3 制动工况 在该工况下，列车满载，主要以列车紧急制动为参照，并着重考虑在列车紧急 制动时地面及制动力对自卸半挂车车架的影响。，同时存在最大的制动减速度与地面 的附着系数是成正比，为了更准确地描述在该工况下的应力和应变，综合现有公路 等级取0 6 为最大附着系数，因而在z 方向的反向上附加0 6 9 8 0 0 m m s l 陨性力作 用，经过简化可以把纵向的惯性力处理为扭矩( 等效为前后梁上相反方向的拉力) 和摩擦力( 作用于车厢与车架的铰接处及上翼板平面的接触面上) ，其余的荷载处理 及约束处理情况相同于弯曲工况。 通过分析和计算自卸半挂车车架变形云图、应力图、最大应力点位置如图3 - 1 1 、 3 1 2 、3 1 3 所示，最大变形出现在车架前端，其值为1 7 8 6 2 m m ，最大应力节点位于 牵引销处，其值为1 8 5 6 2 5 m p a 。 1 6 第3 章自卸半挂车车架结构有限元分析与优化设计 e i i 二闶小1 jj jn o 滗s o l 瓦：，v y 、：，j l s 了e - l - - 2 f 口b = 1 ：d 匹= 1 u s u mf 姗 r s ! s l d o 【= 1 1 e 6 2 s ，。【= 1 7 b 6 2 ：；= = 警笛譬鲨警：= = = ：= ：鲨二i 簟瞄鹜翟鎏譬罂鎏蟹翟避幽幽 o 3 0 79，l s - l二二： 1 ：3 2 3 二s 4s e 二； 9 6 9 9 1 j 1 ： 二- ! ： 图3 1 1 菜总制动上况父彤图 f i 9 3 - i1t h ed e f o r m a t i o nd r a w i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fe m e r g e n c yb r a k e s 了e i l 船- i ：】 匹t 1 s 0 v( 飙 i 盖l l 己6 2 鲫= 3 2 r - i i s e - 1 j 6 2 5 二：= = = ：= ：= ： 啊簟：= ：盘；芷。：o 三= = 监篮盏遴图i 一：二二一二二- 二：。：二；i ! - 23 二! ： 二i ；- ；二一 ，一+ ! ! ：堕! ! ：兰 兰：；：i兰兰一二三二二 图3 一1 2 紧急制动工况y o nm i s e s 应力图 f i 9 3 1 2t h ev o nm i s e ss t r e s sd r a w i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no f e m e r g e n c yb r a k e 河北科技大学硕士学位论文 图3 1 3 紧急制动工况应力最大点位置图 f i 9 3 - 1 3t h ep o s i t i o no f t h em a x i m u ms t