（车辆工程专业论文）面向用户和设计的液压模块组合挂车数字化平台研究开发.pdf

武汉理，i ：人学硕十学位论文 摘要 本文首先介绍了液压模块组合挂车转向系统研究的课题背景，结合组合挂车 的发展趋势和项目委托企业的实际要求，阐述了本课题研究的必要性，以及研究 的主要目的和意义。在详细分析了车辆转向机构国内外现状的基础上，综合考虑 企业的具体要求，确定了本文研究的主要内容。 本文分析了液压模块式组合挂车的总体结构及主要技术特点，介绍了组合挂 车的拼接形式，并重点论述了其转向系统的结构特点，包括转向机构分析、转向 实现方式介绍、中心转向板和转向节板的结构特点，以及杆系布置和油路连接的 变化方式。 之后根据企业对面向用户的查询模块的要求，对查询模块进行需求分析，同 时对查询模块的整体结构和开发平台进行了分析，最后设计编制出了面向用户的 组合挂车的查询模块。 然后，本文分析研究了组合挂车全轮理论转角和实际转角的计算公式及程序 实现，在求解实际转角计算公式时，提出了“三连杆分解法 ，并分析阐述了“三 连杆分解法”的计算原理、应用方法及程序实现，利用“三连杆分解法 对组合 挂车实际车轮转角关系的计算方法进行了分析，编制出了计算程序，并以实际车 型为例，利用计算程序对车轮实际转角关系进行了计算。 接着，本文重点论述了组合挂车转向机构的优化设计。对转向机构优化设计 进行了分析研究，推导出了改良的优化设计数学模型，并编程实现。之后以实际 车辆为例，利用编制的程序对组合挂车单车拼接方式下的转向机构进行了优化计 算，优化后的目标函数值较优化前下降了3 9 3 ，优化取得了很好的结果。 最后，根据企业的要求，利用推导出的优化计算程序，以混合编程的方式编 制出了液压组合挂车转向机构的优化设计模块。 通过本文对组合挂车转向机构的研究，为企业设计人员提供了良好的参考依 据，解决了企业的实际问题。同时，通过本文对转向机构优化设计的研究，为企 业提供了快捷使用的计算工具，提高了设计效率，同时也提供了理论支持。本文 对组合挂车的研究为同类研究提供了新的方法和思路，具有一定的现实意义和研 究价值。 关键词：组合挂车转向机构拼接形式优化设计转角计算 武汉理i ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m b i n a t i o no ft 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 mo ft h e m o d u l e t o p i c s ，c o m b i n i n gc o m b i n a t i o n t r a i l e rb u s i n e s st r e n d sa n d p r o j e c t c o m m i s s i o n e db yt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t sa n dd e s c r i b e dt h en e c e s s i t yo fr e s e a r c ho n t h i st o p i c ，a n ds t u d yt h em a i np u r p o s ea n dm e a n i n g i nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h e v e h i c l es t e e r i n gm e c h a n i s mo nt h eb a s i so ft h es t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a d ， c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s e s ，i d e n t i f i e dt h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o m b i n a t i o no fh y a r a u l i cm o d u l a rt r a i l e rt h eo v e r a l l s t r u c t u r ea n dm a i nt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m b i n e dt r a i l e rs p l i c i n gf o r m s ，a n d f o c u s e so nt h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fi t ss t e e r i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so f s t e e r i n g , s t e e r i n gi m p l e m e n t a t i o n sp r e s e n t a t i o nc e n t e rt ot h eb o a r da n ds t e e r i n g f e s t i v a lb o a r do fs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt r u s sl a y o u ta n dt h ep a r e mo fo i ll i n e c o n n e c t i o n s a c c o r d i n gt ob u s i n e s su s e r sa f t e rt h eq u e r ym o d u l ef o rt h er e q u e s t ，t h eq u e r y m o d u l en e e d sa n a l y s i s ，w h i l et h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e q u e r ym o d u l e sa n d d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma r ea n a l y z e d ，t h ef i n a ld e s i g nh a sd e v e l o p e dac o m b i n a t i o no f u s e r - o r i e n t e dq u e r ym o d u l et r a i l e r t h e n ，t h i sp a p e rs t u d i e s t h ec o m b i n a t i o no fa l l - w h e e lt r a i l e ra n dt h ea c t u a l r o t a t i o na n g l et h e o r yf o r m u l a sa n dp r o c e d u r e sf o ri m p l e m e n t a t i o n , t h ea c t u a la n g l ei n s o l v i n gf o r m u l a , t h ep r o p o s e d ”t h r e e - l i n kd e c o m p o s i t i o nm e t h o d ”a n da n a l y z e da n d d i s c u s s e dt h e t h r e e l i n k d e c o m p o s i t i o n ”t h eb a s i s f o rc a l c u l a t i o n , a p p l i c a t i o n m e t h o d sa n dp r o c e d u r e st oa c h i e v e ，u s i n gt h e ”t h r e e - l i n kd e c o m p o s i t i o n o ft h e c o m b i n a t i o no ft r a i l e rw h e e lr o t a t i o nr e l a t i o n s h i po ft h ea c t u a lm e t h o do fc a l c u l a t i o n i sa n a l y z e d ，h a sd e v e l o p e dac o m p u t e rp r o g r a m ，a n dt h ea c t u a lm o d e l ，f o re x a m p l e ， u s ec o m p u t e rp r o g r a mt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c t u a lr o t a t i o no ft h ew h e e l sa r e c a l c u l a t e d t h e n , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o m b i n a t i o no ft r a i l e rs t e e r i n gm e c h a n i s mo ft h e o p t i m a ld e s i g n o p t i m a ld e s i g no ft h es t e e r i n gm e c h a n i s mw a sa n a l y z e d ，d e d u c e d i m p r o v e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m a ld e s i g na n dp r o g r a m m i n g a f t e rt h ea c t u a l v e h i c l e ，f o re x a m p l e ，t h ep r o g r a mh a ss t i t c h i n go nt h ec o m b i n a t i o no fb i c y c l et r a i l e r m o d eo fs t e e r i n gm e c h a n i s mh a v eb e e no p t i m i z e d ，t h eo p t i m i z e do b j e c t i v ef u n c t i o n v a l u ed e c r e a s e dc o m p a r e dw i t h3 9 3 b e f o r eo p t i m i z a t i o n , o p t i m i z a t i o na c h i e v e d 武汉理1 ：人学硕十学位论文 v e r yg o o dr e s u l t s f i n a l l y , a c c o r d i n g t ob u s i n e s s r e q u i r e m e n t s ，u s i n g t h ed e r i v e do p t i m a l c a l c u l a t i o np r o c e d u r e st oam i x i n g p r o g r a mh a sd e v e l o p e dah y d r a u l i ct r a i l e rs t e e r i n g m e c h a n i s mo ft h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no fd e s i g nm o d u l e t h r o u g ht h i sc o m b i n a t i o no ft r a i l e rs t e e r i n gm e c h a n i s mo nt h es t u d yd e s i g nf o r e n t e r p r i s e sp r o v i d eag o o dr e f e r e n c ef o rs o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m so fe n t e r p r i s e s m e a n w h i l e , t h i sp a p e ro p t i m a ld e s i g no fs t e e r i n gm e c h a n i s m ，p r o v i d i n gaq u i c k c a l c u l a t i o nt o o lu s e dt oi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y , b u ta l s op r o v i d e st h e o r e t i c a l s u p p o r t t h i sc o m b i n a t i o no ft r a i l e r s o nt h es a m er e s e a r c hs t u d yp r o v i d e sn e w m e t h o d sa n di d e a s ，h a sac e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hv a l u e k e y w o r d s ：t r a i l e rc o m b i n a t i o n ；s t e e r i n gm e c h a n i s m ；s p l i c i n gf o r m ；o p t i m a l d e s i g n ；c a l c u l a t i o no fr o t a t i o na n g l e i i i 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。据我所知，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，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育机构 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： 关于论文使用授权的说明 砌? p 、s 2 ，6 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：师日期：趔，以 武汉理一i i 入学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 生产的发展、科技的进步使得长件、大件及重型装备在公路以及场地运输中 占据的比例越来越大。在此背景下，具有组合功能的液压组合挂车由此而生，液 压组合挂车在超重装备、长大件装备的运输上有着自身的诸多优势。各个国家都 在大力研究和发展液压组合挂车。 国外的液压组合挂车起步较早，发展已经相当成熟；国内对液压组合挂车的 研究相对落后，基本依靠进口。 某特种车辆生产企业就大型平板车产品的研发，曾与我校进行过合作，取得 了很好的成果，在此基础上得到了湖北省科技厅重大科技专项基金的进一步支 持。该专项基金用以开展一系列的重大装备的研究开发，包括产品的产业化研究、 多种产品的自主研发、产品现代设计技术和制造技术研究、数字化产品技术的研 究与应用等。其中产品现代设计与制造技术研究具体包括对产品的优化设计研 究、轻量化设计研究和制造工艺流程设计研究等；数字化产品技术的研究与应用 的主要内容是针对特定产品研究开发出一套数字化平台，用以快速、科学、准确 地对一系列产品进行开发设计。液压模块组合挂车为该重大装备研究的主要对象 之一。目前企业通过借鉴国外同类型车型，已经研制出重型液压组合模块式挂车 的拼车模块，但在合理的拼车方案的制定、结构改进设计、包括转向在内的各项 性能的研究、面向拼车组合的机构优化设计等方面，均缺乏系统理论和现代化设 计技术的支撑。考虑未来将该车型推向市场的需要，以及对技术水平和产品可靠 度的更高要求，仍有很多工作要做。 本课题的工作是湖北省科技厅重大科技专向基金支持项目的内容之一，用以 帮助企业解决设计和生产上的困难，丰富设计理论、提高技术水平、缩短产品研 发周期。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 挂车相比其他运输车辆有着自身的诸多优势，凭借其载重量大、能耗省、车 辆制造成本和使用成本低等优点受到越来越多的重视【1 1 。同时挂车对长大件、集 装件、重型件具有良好的适应性，能提供最佳的运输效益。挂车作为公路物流的 武汉理丁入学硕十学位论文 主要方式，以其甩挂运输的特点，可以大大减少运输装卸时间，缩短货物周转期， 提高运营效率，降低运输成本。近几年，挂车的用途已经从载货和送客等运输任 务发展到旅游、社会服务、地质勘探、工程建设等多个方面。各种大型设备的运 输在公路运输中所占的比例也越来越大，在各种货物运输中，如大型变压器、工 程车辆等大型设备通常采用重型挂车的运输方式，以提高生产效率。尤其在超限 运输领域，如厂房、仓库、车厢、混凝土梁、大型设备等的整体运输，大型设备 往往在生产厂家组装完以后，在进行整体运输，减少现场装备的工作量。随着挂 车种类越来越多，产量越来越大，用途越来越广，已经成为公路运输的重要角色。 在国外，挂车的制造和使用已经日益成熟和广泛。在美国，货物周转量的 8 0 由汽车承担，其中7 0 又是由挂车完成的。在西欧各国，挂车在大型货物运 输中也得到了充分的使用【2 j 。 国外挂车的研发技术水平相对较高。国外挂车工业已经向组合式，多用途方 向发展，能根据货物的特点，实现了长度、宽度、轴距可变，并且还实现了全挂 车与半挂车的相互转换。在避震性、安全可靠性、可载性和通过性等各方面均优 于国内水平，能够满足各种装货需求，技术先进【3 】。国外各主流厂商如 n i c o l a s ( 尼古拉) ，s c h e u e r l e ( 索埃乐) ，g o l d h o f e r ( 歌德浩夫) 等近年 来对组合挂车进行了大量研究，实现了系列化的定型产品，但其设计原理和结构 都属于商业机密，基本没有申请专利。 对组合挂车的研究，国外组合挂车已经可以在全挂和半挂形式中实现转换， 即适应高速公路运输对机动性的要求，也能够根据具体运输物品的特点，随时改 变车型构造，按照需要进行拼接组合。 对于转向性能的研究过去主要集中在对两轴线汽车前轴转向梯形机构的研 究上，对于多轮、多轴的汽车转向机构的研究较少，而对于组合挂车变轴线、变 轮数的转向机构的研究就更小。文献 4 】阐述了最优内、外侧转向轮转角关系， 即内、外侧转向轮的侧偏角相等时的转角关系。该文认为，轮胎的磨损率与侧偏 角的2 - 4 次方成正比，当内、外侧转向轮的侧偏角相等时，前轮轮胎的磨损最 d x t 4 1 。随着计算机技术的发展和各级仿真技术和仿真软件的不断普及，目前在设 计过程中广泛采用动力学仿真软件a d a m s ，对转向系进行运动学仿真。今后的 趋势是利用仿真优化、或各种规划方法，对多个参数进行优化从而达到更好的满 意结果。对转向系统驱动方式的研究，现在主要还停留在机械传动的基础上。而 组合挂车主要采用机械、液压传动形式，由机械带动转向动力油缸来完成挂车的 转向。日前随着电控的进一步发展，也出现了电液转向控制方式，其转向形式具 有很高的技术含量，而且成本很高。 在组合挂车设计研究方面，德国的g o l d h o f e r 公司已公布 2 武汉理t ：大学硕十学位论文 m o d u l a r d a t a 和e a s y l o a d 等常规设计软件。m o d u l a r d a t a 软件可根据拼接 模块数计或货物重量，对承载能力、货台倾斜角度、转弯半径、坡度角、牵引力 等多个参数进行分析计算。e a s y l o a d 软件可计算不同类型货物的最佳装载位置 和装载方法等。但是，国外的设计软件由于都是对应产品的商用软件，并没有提 供针对计算的相关理论。 最优化设计是现代设计方法的重要内容之一，它以数学规划为理论基础，以 电子计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下，寻求满足预订目标的最 佳设计。它是现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根据最优 化原理和方法综合各方面的因素，以人机配合方式或者“自动搜索”方式，在计算 机上进行的半自动或者自动设计，以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一 种现代设计方法。它的设计原则是最优设计，设计手段是电子计算机及计算程序， 计算方法是采用最优化数学方法。 国外的最优化设计理论和算法在经历了相当长一段历史的演变，如今已经非 常成熟，并运用于各个领域中。早在1 7 世纪，英国科学家牛顿发明微积分的时 代，就已经提出了极值问题，后来又出现拉格朗日乘数法。5 0 年代以前，用于 解决最优化问题的数学方法仅限于古典的微分法和变分法。5 0 年代末，数学规 划方法首次用于结构最优化，并成为优化设计中求优方法的理论基础。长期以来， 数学规划法已经具备很严格的数学理论，但是随着设计变量的增加，要求的迭代 次数急剧增加，使得在相当长的时间内，数学规划的方法只限于比较简单的问题。 为了解决准则法遇到的区分有效约束和无效约束与主、被动变量的困难，同时保 证求解效率的提高，近年来出现了将这两种方法相结合的混合法。由于6 0 年代 初电子计算机的引入，在数学规划方法基础上发展起来的最优化设计，逐步成为 的一种有效的结构设计方法。大型电子计算机的出现后，最优化方法以及其理论 蓬勃发展，成为应用数学中的一个重要分支，在许多科学技术领域中得到应用。 最优化理论和算法作为一门飞速发展的重要学科，已出现现行规划、非线性规划、 动态规划等许多分支【5 1 。 1 2 2 国内发展现状 相比之下，国内的挂车发展还相对落后，挂车的使用比例较低。在大件运输 组合挂车的研究、制造等方面，我国还处于初级阶段。国内专业汽车厂商也较少， 关于组合挂车的文献也不多。虽在采用进口车辆下，国内在大件运输方面可以达 到千吨以上水平，但自主研发能力还很薄落。随着我国国民经济的快速发展和我 国加入w t o 以后，国外的运输方式和运输管理方法逐渐地、不可避免地冲击着 我国传统的工业生产和交通运输。同时也给我国现有运输车辆及设备提出了更 3 武汉理r = 火学硕十学位论文 新、更高的要求。2 0 0 2 年，原国家经贸委发布了工业行业近期发展导向， 在汽车行业方面，要求重点发展“高性能、搞可靠性、系列化的、能够适应高速 公路使用条件的重型半挂车 。 国内挂车的研发水平还相对比较后，与国外挂车工业相比，我国挂车工业还 在悬挂、转向、组合形式、轮胎级别、标准制定上存在差距，缺乏深入的理论研 究和现场试验。随着国内公路网建设的进一步完善，组合挂车这种运输形式将会 有更多的需求。上世纪8 0 年代术9 0 年代初，我国引入了大量的法国n i c o l a s ( 尼古拉) 和德国g o l d h o f e r ( 歌德浩夫) 的组合平板，可根据货物的重量与外 型实现挂车的多种组合形式，但是国外进口的组合挂车价格昂贵并不能从根本上 解决国内对挂车的需求。 对组合挂车的研究，国内技术水平相比国外差距还较大。国内对于组合挂车 的研究、制造等方面还处于起步阶段，设计还停留在仿制，估算阶段。国内有关 组合挂车的资料也很少，文献 6 】和【7 】中就组合式液压全挂车和组合式重型多轴 半挂车的结构特点进行了介绍，但仅停留在介绍层面，未涉及其相关技术的研究。 2 0 0 6 年，同济大学张鹏结合组合挂车，重点对转向机构进行了研究，利用虚拟 样机仿真软件a d a m s 建立了两纵列组合挂车转向模型，对不同纵列、不同轴 线的组合进行了分析，得到了针对性的优化解【8 】。 组合挂车的转向系统设计是组合挂车设计中的一个重要部分。组合挂车的转 向性能直接影响到整车的机动灵活性，操纵稳定性和使用经济性。最佳的转向过 程要求所有的车轮都处于纯滚动而无滑动状态，或只有极小的滑移。合理的转向 机构能减小转向阻力，同时可以使车轮在车辆行驶过程中滑移最小，进而减小车 轮的磨损，降低车辆的使用成本，提高车辆的操纵稳定性和安全性。 转向机构是转向性能设计的主要研究内容。对于传统转向机构转向梯形的设 计，国内的研究已经比较成熟。1 9 8 8 年，吉林工业大学的张烨对转向梯形机构 进行了研究，分析了现有转向梯形机构存在的问题，提出了改进措施，同时介绍 了一种通过作图法改进梯形结构的方法 9 1 。1 9 9 0 年，董学锋利用解析方法对转向 机构进行了运动分析，导出了运动关系式及角传动比计算式，通过对系统的简化 力分析，推出了力比计算式、进而探讨了转向机构的优化设计问题 i o l 。1 9 9 5 年， 陈集丰、段德高等人对汽车转向梯形机构最佳参数确定问题进行了研究，对不同 转向梯形给出了内外轮转角关系，并用多种方法进行了机构最佳参数的确定【1 1 1 。 2 0 0 1 年，李玉民、过学迅等人提出了更接近与实际的弹性轮胎的理论转向特性， 用空间梯形模型，分析了车辆上常用的整体式转向梯形所确定的实际转向特性， 同时提出了优化设计方法【1 2 1 。2 0 0 2 年，黄鹤辉，陈晨利用m a t l a b 编制出整体 式转向梯形机构的优化设计程序，利用此程序交互式的得到了优化计算结果【1 3 1 。 4 武汉理【：大学硕十学位论文 2 0 0 6 年，董恩国，李双义等人应用动力学分析软件a d a m s ，研究了某矿用汽 车转向机构的优化设计【1 4 1 。 随着重型汽车、挂车的快速发展，多轴转向技术的研究受到越来越多的关注。 我国技术人员对于多轴转向也有较多的研究。1 9 9 5 年，郭凌汾、黄海东等人对 多轴挂车转向过程中车轮运动规律进行了分析，找出了滑移量的计算方法，对多 轴全挂车转向机构进行了优化设计【i5 1 。1 9 9 7 年，雷雨成、郑德林等人以双桥转 向汽车为例，分析了多轴转向汽车数学模型的建立方法，并对两转向轴之间的摇 臂机构进行了运动分析，在此基础上进行了优化设计【1 6 1 。2 0 0 2 年，王萍、李成 刚等人介绍了重型特种车辆多轴转向技术的优化设计目标和方向，概括地分析了 转向梯形机构、纵向传动机构和转向系统子构件的优化目标，以及建立数学模型 和约束条件时应考虑的因裂r 7 1 。2 0 0 5 年，吉林工业大学的王彦会在硕士论文中 对某一多轴转向汽车的转向系进行了设计和计算。通过建立转向系统的几何模 型，分析求解了空间状态下转向梯形机构，用c + + 语言编制了优化设计程序 1 8 】。 2 0 0 6 年，田增、李海鹏等人对组合式多轴挂车转向机构进行了分析，建立了挂 车转向系统机构的优化设计模型，利用m a t l a b 的优化工具箱对设计模型进行 了优化求觯1 9 1 。2 0 0 6 年，王阳阳、靳晓雄等人分析了双前桥转向机构的功能、 运动规律和可能造成的运动干涉，提出了同时保证车轮做纯滚动和干涉引起的磨 损量最小的目标优化设计方法【2 0 1 。同年，马凤春、石博强等人介绍了自行式可 拼接模块化低平板重型运输车独立转向机构的优化设计过程。通过建立优化目标 函数及满足转向要求的约束函数，运用m a t l a b 优化工具箱对转向六杆机构进 行优化计算，并对优化结果应用p r o e n g i n e e r 软件建立三维模型进行机构仿真 【2 。2 0 0 6 年，李海鹏、石博强等人对重型组合式多轴挂车的转向机构进行了分 析，推导出了转向机构各部件之间的运动关系式，在此基础上建立了这类挂车转 向系统机构的优化设计模型。应用复合形优化算法对建立的优化模型进行优化求 解，并使用v b 语言编写了图形用户界面程序【2 2 】。2 0 0 7 年，张从华、赵斌等人 根据汽车车轮转向特性，利用阿克曼定理，应用a d a m s 软件建立多轴转向车 辆转向机构的仿真模型，同时对转向机构进行了优化【2 3 。 国内尽管对组合挂车的理论有一定的研究，但对于液压模块组合挂车还没有 对应的设计软件。为弥补国内的空白，迫切要求针对设计软件进行研究与开发， 以提高国内液压模块组合挂车的研究水平，加快国内组合挂车的发展速度。 有关最优化理论和算法，我国从7 0 年代中期才开始有关的研究。经过三十 余年的工程设计理论和方法的研究，从经验的、感性的、类比的传统设计方法转 变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。特别是近十年间，随着有限 元法，可靠性设计，模糊设计，c a d 理论及方法的发展与优化设计方法的结合 5 武汉理下人学硕+ 学位论文 应用，使整个工程设计逐步向自动化、集成化、智能化发展。 以上文献表明我国在多轴转向技术已经有了一定的发展，但是在变轴线数、 变纵列数的液压模块组合挂车转向系统的研究还相对落后，相关文献资料也比较 少，同时也缺乏先进的现代化设计工具和设计手段。因此本课题的丌展尤为迫切， 课题研究内容具有重要意义。 3 研究目的和意义 1 3 1 研究目的 根据合作双方协商的具体要求，确定本课题的研究目的，主要包括以下几点： 1 ) 对液压模块组合挂车进行理论研究，重点是转向系统计算公式的理论研 究和转向系统最优化理论研究。 2 ) 研究开发面向设计的液压模块组合挂车数字化平台。 3 ) 研究开发面向用户的液压模块组合挂车数字化平台。 1 3 2 研究意义 本课题的研究主要意义有以下几点： 1 ) 满足企业对液压模块组合挂车关键技术的需求 液压模块组合挂车的理论研究可以满足企业对液压模块组合挂车关键技术 的需求，提高企业的设计与技术水平。液压模块组合挂车的转向系统的相关理论 是理论研究的重点内容。模块组合挂车的转向性能直接影响到整车的转向灵活 性、操纵稳定性和使用经济性。转向系统的研究中的一个关键内容就是对转向机 构的优化设计。良好而科学的转向系统匹配参数可以有效地减少轮胎的磨损，延 长轮胎的使用寿命，同时提高整车的操纵稳定性和安全性。这对于提高产品的质 量，增强产品的性能，改善产品的经济性都有重要的现实意义。 2 ) 提升企业的设计水平和自主研发能力 液压模块组合挂车的数字化平台的研究与开发能够为企业提供先进的现代 化设计工具和更加科学快捷的设计方法，可以显著提高企业的设计水平和自主研 发能力；其相关理论的分析与研究，尤其是转向系的理论研究、公式推导、数学 模型的建立和优化模型的建立可以为企业的设计提供良好的理论参考和技术指 导。本课题的研究可以丰富企业的设计理论和设计水平，能够使企业大幅度缩短 开发周期，大量减少开发费用和成本，明显提高产品质量，增加企业的竞争力和 自主研发能力。 3 ) 为国内重大装备制造的相关行业增强自主研发能力和提高开发设计水平 做出积极的贡献 6 武汉理l ：人学硕十学位论文 我国使用的重型运输设备多依赖进口。改革丌放以来，我国科研技术水平逐 步追赶国际先进水平，国内对重型运输机械的研究及制造技术也同趋完善。本课 题预期的成果对国内相关车型的设计研发有着积极的推动作用，对整个行业的研 发水平的提高和研发能力的加强也具有较好的理论和工程实用价值。 1 4 研究目标、研究内容、技术关键和难点 4 1 研究目标 根据企业的具体需求和国内外研究现状，本课题研究目标为： 1 ) 对液压模块组合挂车的相关理论进行研究，重点是对组合挂车转向系的 理论研究。得出的数学模型和优化模型应能对任意轴线数、任意纵列数的液压模 块组合挂车进行计算和分析，能够适用于任何拼接情况，同时还应具有先进性、 实用性，以及易于程序实现等特点。 2 ) 完成面向设计的液压模块组合挂车的数字化平台的研究开发，平台具有 良好的先进性、实用性，平台整体功能应能达到g o l d h o f e r 等国际先进水平， 部分功能超过g o l d h o f e r 。 3 ) 利用面向设计的开发软件对现有产品进行转向系统的参数优化、能够分 析计算出更好的、科学的参数匹配方案。 4 ) 完成面向用户的液压组合挂车综合应用平台的研究开发，软件具有加密 功能、实用性、易用性和可扩充性。 5 ) 运用该数字化平台能够简单、方便、快捷地进行产品设计，缩短研发周 期，并能得出满意的产品设计方案，为企业提供现代化设计工具。 1 4 。2 研究内容 本课题研究的具体内容包括以下方面： 1 ) 数字化平台需求分析 数字化平台的需求分析包括确定对系统的综合要求和开发原型系统。需求分 析目的是对数字平台提出完整、准确、清晰、具体的要求。这是开展课题的基础。 2 ) 总体研究方案确定 研究方案的确定是课题开展的出发点。根据之前的需求分析，站在课题全局 高度，综合考虑组合挂车的相关理论、模型的程序实现、软件的扩展性、安全性、 需要的功能模块等多方面因素，得出多种可能的方案，并进行对比分析，确定最 佳方案，然后进一步对该方案设定软件结构和计划进度。 3 ) 面向用户的应用软件界面设计、功能模块设计及编程实现 用户是产品的购买和使用者，用户的技术水平一般达不到技术人员的技术水 7 武汉理j i ：人学硕十学位论文 平，也不需要达到如此高的水平。因而需要研究和丌发面向用户的数字化应用平 台为用户提供支持和指导，使用户能够方便和j 下确的使用所购买的产品进行生 产。面向用户的数字化应用平台的研究和开发既是企业的要求，也是相关产品使 用的要求。 4 1 转向系统数学模型和优化设计模型的建立 液压模块组合挂车转向系统的理论研究是本课题的核心，液压模块组合挂车 转向性能直接影响到整车的机动灵活性，操纵稳定性和使用经济性。最佳的转向 过程要求所有的车轮都处于纯滚动而无滑动状态，或只有极小的滑移，从而减小 轮胎的磨损，降低车辆的使用成本，同时提高车辆的操纵稳定性。最优化设计模 型的建立是计算出使轮胎磨损最小的有效方法，在设计变量允许的范围内，寻找 最优化的设计参数，使轮胎的磨损量最小化。研究的主要内容是通过分析液压模 块组合挂车的转向系统，重点是导向连杆的研究，得出能够计算分析任意轴线数、 任意纵列数的数学模型和优化模型。 5 ) 面向设计的数字化平台的界面设计、功能模块设计及编程实现 面向设计的数字化平台能够脱离其他的工程软件独立使用，实现的功能包括 对组合挂车的转向系统的优化设计，对装载载荷的计算，对通过性能的计算。使 产品设计者能够快速的开发新产品，缩短研发周期。 国外液压模块组合挂车的许多公司都具备较高的技术水平，并已经形成了想 对应的设计和应用软件。国内目前还未曾有相关的数字平台或软件，一套科学、 完整、功能丰富的数字化平台是国内液压模块组合挂车发展的需要也是发展的必 然要求。 6 ) 软件调试及试算验证； 软件的稳定性是衡量软件品质的重要指标。软件的稳定性直接影响到对软件 自身功能的使用和使用者的工作效率等方面。因此，软件调试是软件开发的重要 环节之一。对软件进行试算验证也是同等重要的内容，它关系到数学模型到编程 实现这个环节进行的正确性，关系到液压模块组合挂车相关理论公式实现的可靠 性。 7 ) 利用面向设计的数字化平台对典型产品转向系统参数优化设计。 利用研究开发的数字化平台对典型产品转向系统参数优化设计是合同要求 的内同之一，同时也是是更全面的检验软件品质的过程，是数字平台走向应用的 过程。 1 4 3 技术关键和难点 本课题涉及到液压组合挂车设计、多轴转向系统设计、转向系统最优化设计、 8 武汉理：l ：人学硕+ 学位论文 软件开发等相关学科的理论知识，其技术关键和难点如下： 1 ) 所使用理论和研发工具先进性、实用性保证； 2 ) 数字化平台总体结构、数据关系的确定； 3 ) 数学模型和优化设计模型的推导及程序实现。 9 武汉理- i ：大学硕十学位论文 第2 章液压组合挂车结构及拼车特点分析 液压模块式组合挂车，可以实现以模块为单位的横向或纵向的拼接。这种组 合挂车在运输超重、超大、超长等货物时有着自己独有的优势。随着国内大件物 流运输和公路建设的发展，液压模块式组合挂车的需求会大大增加。模块组合挂 车包含液压支撑、液压助力转向、机械转向机构和制动系统等关键技术。在分析 组合挂车的转向机构前，需要先对组合挂车总体结构特点进行分析研究。 2 1 组合挂车的总体结构 组合挂车相对于普通挂车，最大的核心技术和优势是能够根据需要进行模块 挂车的组合，即横向、纵向的拼接，进而组合成多种尺寸的车型。这一巨大优势， 能够实现对不同尺寸的巨型货物的运输需求，同时组合挂车方便灵活的拆解组合 能够适应各种尺寸的货物，大大降低针对单一型号挂车的购置成本、库容面积和 维护成本。 液压模块式组合挂车包括组合全挂车和组合半挂车。两者各有自己的特点： 组合全挂车相比组合半挂车在大件运输上有一定优势；组合半挂车相对于组合全 挂车，由于半挂牵引车的驱动桥是组合半挂车的前支点，这可以提高牵引车的附 着质量，缩短整车长度。 以动力鹅颈6 轴线2 纵列单车模块为例，对组合挂车的总体结构进行分析， 如图2 1 所示。组合挂车的轴线是同轴车轮的轴心连线，图中所示的单车模块共 2 图2 1 配有动力鹅颈的6 轴线2 纵列单车模块结构示意图 i 液压悬挂装置；2 转向节板；3 、4 、5 - 转向拉杆；6 - 车架纵梁；7 转向油缸；8 中心转向板 1 0 武汉理j r 人学硕十学位论文 有6 轴；组合挂车单车模块沿纵向布置左右两列车轮，每列车轮形成1 纵列，图 中的单车模块有2 纵列。组合全挂车由牵引杆和货台两个部分组成；组合半挂车 则有鹅颈部和货台两部分组成。单车模块指在牵引车的牵引下能够独立行使的拼 接单元。拼接单元的承载部件一般采用坚固的箱型梁结构设计，强度大，抗弯性 能好。除了6 轴线单车模块，还有2 轴线、3 轴线和4 轴线等其他多种单车模块。 每个单车模块的前后以及两侧均配置有便于拼装的机械、液压、电器接口，用以 实现横向或纵向的拼装组合。液压组合挂车拼接后，一般分为前、中、后三个模 块，前后模块为单车模块或几个单车模块的拼接组合。中间模块用以承载货物， 根据运输货物的需要，可以是底货台或平板。承载部件低于单车模块的称之为底 货台，与单车模块齐平的称之为平板。图3 1 中的1 是液压悬挂装置，实现液压 支承、货台升降等功能。除此之外，组合挂车还配备有制动系统、电路系统等装 置。 动力鹅颈由牵引销、转向装置、升降装置及加载装置等组成。当组合挂车与 牵引车挂接后，鹅颈转向装置于牵引座连接，牵引车转向时牵引座随之转动，通 过转向油缸将牵引车转向参数转换为液压信号，传递给后部其他的液压转向油 缸。鹅颈升降装置有两个升降缸，升降缸的两个支点分别安装在鹅颈部及货台部。 液压升降装置可以通过控制升降缸来实现货台前部的升降。动力鹅颈装置实现了 全挂车与半挂车之间的方便转换，是一项意义重大的关键技术。 2 2 组合挂车的主要技术特点 2 2 1 全液压悬挂系统 组合挂车悬挂体统为全液压悬挂式。4 个同轴车轮使用一套悬挂液压缸。可 以通过开或关相应的阀门，使液压缸连为一个相通的回路，回路中的车轮称为一 组车轮。同组车轮的载荷，由于液压回路相通，载荷是相等的。若以车组的长度 和宽度的中心线为分割线，可以将车组分为4 个部分。通过开关对应的阀门，可 以使这4 个部分相隔，而每一部分的液压缸油路相通，构成一组车轮。这样就实 现了车组的四点支撑。也可以根据需要形成3 个相隔的油路，实现3 点支撑。无 论是4 点支撑还是3 点支撑，他们不仅可以保证车组的平衡，同时还可以保持悬 挂系统装置的减震功能，并且由于每组油路相通，使每组车轮悬架高度可根据路 况实现被动调节。 2 2 2 行走机构 行驶、转向、制动和悬挂功能都集成与行走机构上。对于6 轴线2 纵列的单 车模块，每轴有2 对行走机构，每纵列有6 对行走机构，共1 2 对行走机构。行 武汉理i ：人学硕士学位论文 走机构的结构示意图如图2 2 所示。 a b ) 图2 2 行走机构侧视图 ( a ) 行驶状态( b ) 降低状态 1 上推力轴承：2 - _ k 同转推力轴承支座；3 悬挂液压缸上铰销轴；4 - 货台：5 拐臂； 6 悬挂液压缸；7 销轴；8 - 摆动臀；9 球头铰支座；l o 一旋转轴；1 1 车轴 由于液压悬挂的油路在每组车轮上是相通的，一组的每个车轮的载荷是相同 的，具有类似平衡悬架的作用，可以应对地面的起伏。同时，组合挂车的行车速 度较低，具备一般车辆的阻尼减震系统的意义不大，主要由轮胎缓冲来自地面的 冲击。 通过控制悬挂油缸，可以实现货台的升降。当组合挂车在倾斜的路面上行驶 时，通过调剂货台，可以使货台保持在一个平面内，进而保证运输的安全，如图 2 3 所示。 贡丁 鞋粤 段黯 a ) f i = 1 徊) 图2 3 货台平面的调平 ( a ) 货台倾斜( ”货台水平 ( a ) b ) 图2 4 车轮随地面凹凸的升降图 ( a ) 凸路面( ”凹路面 在每一套悬挂液压缸上均串联有一套气液蓄能器，可以向悬挂液压缸补充 油，保证在起伏路面上行驶过时，液压缸对地面的变化反映及时。行驶过程中车 轮随地面起伏的升降变化如图2 4 所示。 1 2 武汉理j 人学硕十学位论文 2 23 制动系统 单车模块的制动方式采用的是压缩空气排气制动方式。每个车轮组上都安装 了鼓式行车制动装置。在单车模块上的某几个轴线上，配置有断气制动装置，用 咀在空气压力低或者器官破裂的情况下实现自动制动，保证制动安全。每单车模 块上装备一套制动力分配阀，用来调节制动力大小，使制动达到最佳效果。对挂 车组安装有独立的额外制动，避免下坡时挂车组对牵引车组的冲撞。6 轴线全挂 单拼制动系统和6 轴线半挂单拼制动系统图如图2 - 5 和2 - 6 所示。 i 兰l2 - 56 轴线全挂单 制动系统圈2 - 66 轴线半棒单排制动桑纺 224 模块组合设计 模块组合设计，就是将每辆单车模块作为一个模块单元，多个单元可以根据 运输需要进行拼接组合，以适应不同体积重量和道路条件的大件运输。为了方便 拼接组合，在每个单车单元的前后以及两侧的合适位置，配置集电器、液压、压 缩空气的统一接口利用液压穿销和螵栓连接等剐性连接方式，实现快速便利的 拼车组合。 耳i i 巨i