（机械设计及理论专业论文）基于adams的自卸车作业稳定性分析.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的高速发展，大型建设项目日益增多，自卸车的使用也迅 速增长。但是，自卸车自身结构特殊，加上使用工况恶劣，其卸载时作业失稳的 危险性较高，已成为有待解决的重要安全问题。而由于客观原因的限制，使用建 设物理样机的方法来做试验的成本高、周期长，导致自卸车的作业稳定性研究并 不够。 虚拟样机技术作为一项新技术，综合了多种先进设计方法和分析技术。它能 在产品设计开发过程中，先在计算机上建造整体产品的虚拟样机模型，并针对该 产品投产使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品整体性能。不但能为产品设 计的改进和性能的提高提供参考，而且具有缩短开发周期，降低成本，提高效率 的优点。因此，把虚拟样机技术引进自卸车稳定性研究将带来很多优势。 本文结合虚拟样机技术和多体系统动力学分析方法，以某厂生产的某型号t 式自卸车为研究对象展开侧翻稳定性研究。研究内容包括： 1 综合考虑影响自卸汽车作业稳定性的各种主要因素，并对自卸车的倾翻机理进 行基本分析，以建立合理的研究方案。 2 应用三维参数化设计软件p r o e 建立自卸车整车虚拟样机模型，及探讨在机械 系统动力学软件a d a m s 和p r o e 之间使用m e c h p r o 插件进行数据传递的方法。 3 为了进一步研究，建立基于a d a m s v i e w 的白卸车整车虚拟样机简化模型，并 进行动力学仿真分析。找出在一定的作业条件下，自卸车侧翻的临界值；得到自 卸车作业稳定性与路面横向坡度、装载状态的关系。 本论文研究结果表明：在整车总装质量为1 2 t 、载货质量为4 5 0 0 k g 、整车质 心高度约为1 8 m 的条件下，自卸车除了在横向坡度倾角为2 0 。且正常卸载时不会 发生倾翻之外，在2 5 。至4 0 。下作业均存在失稳可能性；路而横向坡度倾角越大， 自卸车对应的倾翻临界角越小；当货物偏载越严重，临界倾翻角越小，越容易发生 意外。本研究不仅为减少或避免自卸车卸载作业时发生侧翻事故提供了参考依据， 也为虚拟样机技术在机械系统设计方面的应用进行了有意义的尝试。 关键词：虚拟样机技术，m e c h p r o ，自卸车，侧翻稳定性，仿真 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s en a t i o n a le c o n o m y ，d u m pt r u c k sw e r eu s e db y t h es p e e d yg r o w t hi nt h el a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o np r o j e c t s a sw a sk n o w n ，s p e c i a l s t r u c t u r eo fd u m pt r u c ki t s e l f , s h i f t i n g l o a d so ro v e r - l o a d s ，a n dt h ec e r t a i nw o r k i n g c o n d i t i o n sc o n t r i b u t e dt oh i g hr i s k so fr o l l o v e rf o rd u m pt r u c k ，w h i c hh a db e c o m ea s i g n i f i c a n tp r o b l e ma b o u tu s a g es a f e t y h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nw o r k i n gs t a b i l i t yo f d u m pt r u c kw a sn o td o n ew i d e l yb e c a u s eo ft h eo b j e c t i v er e a s o n sr e s t r i c t i o n sa n dh i g h c o s to fb u i l d i n gp h y s i c a lp r o t o t y p e s v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ( v e ) a sa na d v a n c e dr e s e a r c hm e t h o d 。c a nh e l pd e s i g n e r t ob u i l dv i r t u a lp r o t o t y p eo ft h ew h o l em a n u f a c t u r eo nc o m p u t e r , t om a k et h ed y n a m i c s i m u l a t i o na c c o r d i n gt oa l lk i n d so fa c t u a lo p e r a t i n gs i t u a t i o n s ，w h i c hc o u l dn o to n l y f o r e c a s tt h es h o r t a g e so fp r o d u c t ，b u ta l s oi m p r o v et h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c eo f p r o d u c t t h e r e f o r e ，u s i n gv pf o rd u m p i n gs t a b i l i t yr e s e a r c ho nd u m p t r u c kw o u l db r i n g m a n ya d v a n t a g e s i n t h i st h e s i s ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g ya n dm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c a n a l y s i sm e t h o d sw e r eu s e df o rr o l l o v e r i n gs t a b i l i t yr e s e a r c h ，w h i c hb a s e do nt h e i n v e s t i g a t i o no f o n ek i n dd u m pt r u c k ( s t y l et ) t h es t u d yc o n t e n t sw e r ei n c l u d e d ： 1 ) i no r d e rt oe s t a b l i s ht h er e a s o n a b l es c h e l l l e ，t h em a i nf a c t o r st h a te f f e ：c t e dt h e d u m p i n gs t a b i l i t yo f t h ed u m pt r u c kw e r es y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r e d a tt h es a m et i m e ， t h eb a s i cp r i n c i p l e so fr o l l o v e rw e r ea n a l y z e d 2 ) t h ew h o l ed y n a m i cs i m u l a t i o nr o o d e lo fd u m pt r u c kw a s b u i l tw i t hp r o e m o r e o v e r , t h eu s a g eo fm e c h p r of o rd a t at r a n s f e rb e t w e e na d a m s a n dp r 0 ew a sd i s c u s s e d 3 ) f o rt h ef u r t h e rs t u d ya n dt e s t i n g ，a n o t h e rd y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo fd u m pt r u c k w a sd e s i g n e db a s e do na d a m s v i e w t h r o u g ht h ew o r k i n gs t a b i l i t ya n a l y s i s ，s o m e c r i t i c a lr e s u l t sa n dr e g u l a t i o n sw e r ef o u n d t h er e s u l to fd u m pt r u c ks t e a d yw o r k i n gs i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tw h e nt h et o t a lm a s s o fd u m pt r u c kw a s12 t ，1 0 a d a g ew a s4 5 0 0 k ga n dt h ec e n t r eo fm a s sw a sa b o u t1 8 m ，t h e d u m pt r u c kd i d n tt a k er o l l o v e rw h i l ei t l a i do nt h e2 0 。l a n d s c a p es l o p ea n dl o a d i n g r e g u l a r l y h o w e v e r , i tw a se a s yt ot a k ea c c i d e n tw h e nl a n d s c a p eg r a d i e n ts p a n e df r o m 2 5 。t o4 0 。f u r t h e r m o r e ，t h ec r i t i c a lo fr o l l o v e ra n g l ed e c r e a s e dw i t hh i g hl a n d s c a p e g r a d i e n ta n ds h i f tl o a d e ds e r i o u s l y s u c hs t u d yw a si d e n t i f i e do fa p p l i c a t i o nv a l u eo f r e d u c i n go ra v o i d i n gt h er o l l o v e ra c c i d e n tw h i l eo p e r a t i n gd u m pt r u c k m e a n w h i l e ，t h e r e s e a r c hh a dp r o v e dt h a ti tw a sas i g n i f i c a t i v ea t t e m p ti nt h ed o m a i no fm e c h a n i c a l s y s t e md e s i g nb yv pt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y , m e c h p r o ，d u m pt r u c k ，r o l l o v e r i n gs t a b i l i t y ， s i m u l a t i o n i i 溯班j 棠大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文r t l 以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鸳欷媚 日期：2 哆年5 月2 石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：建辱虹蹋 魄吁乡月2 6 日 指删雠：复多 嘴砷每圭只) 1 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出与意义 1 1 1 问题的提出 近年来，自卸车的侧翻己经成为一个重要的安全问题f l 】，据统计，自卸车侧翻 事故己成为仅次于汽车正面碰撞的严重车辆事故，侧翻稳定性研究引起了人们的 重视。而自卸车由于自身结构因素决定了其整车的质心高度较一般载货车要高， 其失稳的危险性也较一般载货车要高。自卸车特殊的、危害最大的失效形式是卸 载时作业失稳【2 】f 3 1 。 自卸汽车按货厢倾卸方向分为后倾卸式和三面倾卸式两种【4 儿5 1 。倾卸机构是自 卸汽车的关键装置，它直接关系到自卸汽车的使用性能及整体布置。倾卸机构要 有很好的动力性，卸料过程平衡、协调，满足结构紧凑、安全可靠的要求【6 i 。 由于自卸汽车通常采用的是车架和车厢相分离的结构以及开式车厢，致使自 卸汽车车厢在卸货时的刚度较弱，再加上运载货物的物理和化学性质、气候、道 路、工作场地的影响，有时在卸载时会出现侧翻现象，发生严重的事故【7 】。 根据事故的分析统计，影响汽车侧翻的因素很多，也很复杂。其中，导致事 故发生的两个关键因素是： ( 1 ) 驾驶员对汽车的操纵或者货物装载不良。 ( 2 ) 道路条件不良。 因此，自卸汽车的倾翻稳定性是自卸汽车设计及使用过程中的重要研究热点 问题。有必要对侧翻的情况进行分析，计算和试验，以提高自卸车抗侧翻的能力 但是，由于自卸车的应用领域限制了其设计研究的范围和规模。而传统设计 大都采用类比法或经验取值法，也限制了产品性能的进一步提高，往往自卸车的 作业稳定性试验并不够，己不能适应社会高速发展和对产品安全高性能的要求【8 】。 1 1 2 课题研究的意义 鉴于自卸车的使用场合特殊，但是目前国内在自卸车性能试验台研究方面又 缺乏必要的试验条件的实际背景下，利用虚拟样机技术对其作动态仿真以测试和 改良其性能，既可降低成本又可提高效率，具有可行性。本课题采用虚拟样机技 术建立能够比较客观、真实地反映自卸汽车的整车虚拟样机模型，对自卸汽车作 湖北工业大学硕士学位论文 业稳定性进行研究，分析自卸汽车侧翻机理，研究自卸汽车倾翻临界指标，以提 高自卸汽车的作业稳定性，减少或避免自卸车行驶及卸载时侧翻造成的人员和财 产的损失。因此，本研究对提高我国专用汽车企业的技术水平与市场占有率，提 高在国内外市场的竞争能力等方面，都具有重要的社会意义和实用价值。 本课题是基于实际应用的，具有一定的理论研究价值和较强的工程应用背景。 以上情况充分说明了课题立论切合时代要求，体现了基础理论研究为工程应用服 务的学术思想。 1 2 自卸汽车作业稳定性相关研究现状 1 2 1 自卸汽车作业稳定性国内9 1 、研究现状 国外学者对汽车的侧翻稳定性以及自卸汽车作业稳定性做了大量的研究工 作。如h p r e m 综合考虑了轮胎、悬架等因素建立了一种非线性模型对大型矿用自 卸汽车的侧翻稳定性进行了研究。t f t a l b o t 和j h a p p l o t e n 就引起自卸汽车失稳 的原凶和计算方法进行了探讨。 国内学者对汽车的侧翻稳定性以及自卸汽车作业稳定性也做了大量的研究工 作【9 】。邓楚南等介绍了机动车侧倾稳定性的评价指标，理论计算方法的不足，以及 采用侧翻试验台进行侧倾稳定角测试的必要性，并介绍了一种侧翻试验台的组成、 工作原理、性能与结构参数以及测试功能1 4 3 1 。张宏伟提出了改善自卸汽车作业稳 定性的几种方法，例如：合理选择举升机构的形式：尽量增大后支点之间的距离：增强 副车架和车厢底架的扭转刚度等】。胡超与张世杰就自卸车的静态侧翻进行计算， 分析侧翻的原因，找出了解决的办法【l 们。吴森等人通过运用虚拟样机技术，利用 a d a m s 软件建立了自卸汽车举升机构的虚拟样机模型，实现了对举升机构设计参 数的合理优化f i i l f l 2 1 。 1 2 2 国内外汽车试验台等相关试验物理样机的使用情况介绍 在国外，世界上汽车工业发达国家的汽车生产厂商，都不惜花费人力、财力 和物力，建立试验场( 室) 和汽车试验研究中心，开展大量的试验研究工作，以求提 高汽车的质是和推出新颖产品。如法困雷诺汽车公司采用美国m t ss y s t e m s 公司 专门提供的悬架和转向型试验系统。此监控悬架寿命试验台除了保证模拟转向机 构动作的扭矩、垂直、侧向和纵向移动外，还可进行车身的耐振性、测量噪声等 特性的研究。 2 图1 l 中国定远试验场 在国内，也有不少运营商建设了自己的汽车试验台( 场) ，如图1l 中的中国 定远实验场。很多汽车零部件的工况，可以用专门设计的试验台模拟。在模拟的 试验台上用飞轮代表汽车行驶时的惯性力，用以试验制动器的性能；崩水力或电 力测功机代表汽车行驶时的各种阻力，以试验发动机的功率和扭矩等。汽车试验 中试验台试验的费用最省，试验所需的时间较短，试验条件较易控制，应用范围 同益扩大。但这种试验一般多用于单项性能或耐久性试验，或少数相关项目的综 合性试验，不能较全面地考核综台性能。 针对重型白卸车的试验2 0 0 7 年东风汽车有限公司就重型车j “向卸车卜装 性能试验台”进行设讣、制造、安装、和调试m j ，如捌12 所示。 孱麟 豳凿 图j2 自卸车上装性能试验台 湖北工业大学硕士学位论文 试验台主台架承重1 0 0 吨，是东风汽车有限公司2 0 0 7 年重点项目，在技术上 国内没有参考样件。制造完成后，能对重型自卸车进行油压、泄漏快速检测，对 举升机构进行有限元分析，并对不同倾斜状态、不同质量、不同种类载荷下的上 装性能进行试验等。此设备的研制将彻底解决重型自卸车设计制造中检测无依据 问题，并为重型自卸车设计标准的制定提供依据。 但是以建设真实试验台来测试汽车性能的传统做法成本高，效率低，再加上 自卸车( 尤其是重型矿用自卸车) 车辆批量少，品种多，价格高且载荷重，对道 路有一定要求，国际上对其结构的动态分析计算和稳定性分析无法像公路车辆一 样通过实验室试验装置如道路振动试验台来模拟车辆运动，世界上只有极少数先 进的制造厂商，如美国的小松德莱赛通过建立专用的试验场来获得实验数据，通 过试验分析验证。而国内制造厂则是主要通过模拟设计或通过技术转让进行生产， 无自主创新能力和手段，主要靠矿山工业试验运行来检验设计，成本高，时间长， 风险大。 综合以上情况，本研究方向有较好的工程研究价值和应用前景。 1 2 3 在汽车等制造行业中应用虚拟样机技术的情况 虚拟样机技术和虚拟现实技术作为新的产业技术，在发达国家，如美国、德 国、日本等都己得到广泛的应用，其应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航 天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学等 诸多方面，尤其是汽车工业，显示出了巨大的技术优势和经济效益。 还有不少结合其他软件进行虚拟动态仿真研究和应用的尝试【1 5 】 1 6 1 17 1 ，如挖掘 机、装载机、机器人、起重机、数控机床等等某些核心系统或整机的动态仿真和 分析。常用联合软件有p r o e 、v c * 、m a t l a b 、s o l i d w o r k s 、c a t i a 、u g 、a n s y s 等。 一般通过a d a m s 与其他c a d 软件的联合应用，功能互补，使得很多设计工作都可 以在计算机上进行( o h 虚拟装配、干涉检查、模拟加工等) ，能够极大地强化虚拟仿 真效果，获得更良好的研究成果。 存在的问题：虚拟样及技术的导入决不是蹴而就的事情，建立汽车的虚拟 样机既是对以往技术路线的改造，又涉及对旧的设计方式的革新。只有通过合理 的实施步骤、方法等才可以使虚拟样机技术的推广应用少走弯路。虚拟样机技术 在我国的研究和应用还处在起步阶段，与国外的距离有较大的差距，使用范围也 存在一定局限性，还没有达到设计模块化，系统化，自动化和标准化的成熟阶段。 伴随计算机、图像技术、高级编程语言的发展，虚拟样机技术有良好的发展前景。 4 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 本课题主要完成的研究内容 本课题针对自卸汽车在作业卸载时容易失稳的问题，通过采用多体动力学 方法，应用以c a d c a e 技术为核心的计算机辅助技术，建立自卸汽车整车虚 拟样机模型，综合考虑影响自卸汽车作业稳定性的各种主要因素，对自卸汽车 的作业稳定性进行仿真分析，深入研究和优化分析，找出自卸汽车侧翻的临界 值。主要研究内容如下： ( 1 ) 对自卸汽车的侧翻机理及影响其作业稳定性的因素进行分析； ( 2 ) 对虚拟样机技术的含义、特点及其工程实现方法和多体系统动力学理 论与a d a m s 软件算法进行探讨； ( 3 ) 研究如何与专业c a d 软件无缝传递数据，为产品优化设计创造条件； ( 4 ) 在综合考虑影响自卸汽车作业稳定性的主要因素的基础上，建立简化 的自卸汽车整车虚拟样机模型； ( 5 ) 根据自卸汽车卸载作业及作业环境特点，对自卸汽车的作业稳定性进 行仿真分析，找出自卸汽车侧翻的临界值和影响自卸车作业稳定性的 因素； 1 4 本章小结 本章提出了此论文的研究对象，关键解决的问题和使用的平台，结合国 内外相关的研究状况进行论述。并总结了本论文的研究工作内容。 第2 章自卸车稳定性分析 21 引言 本论文以某特种汽车有限公司的某型号自卸车为研究对豫，段建造虚拟样机 模型进行稳定性分析，如图21 。 图2l 某特种汽车有限公司的某型号自卸车 该系列车型叮供参考的基本参数为( 单位：m m ) ： 1 基本技术参数( 型式：4 x 2 ，4 5 0 e n g i n em o d e l 发动机型号：y c 6 j 2 0 0 3 1 e n g i n ep o w e r 发动机功率( k w ) ：1 4 7 e n g i n ec a p a c i t y 发动机排量( m 1 1 ：6 7 0 0 c o m b u s t i o nt y p e s 内燃机种类：柴油机 e n g i n em a n u 矗c m r 盯s 发动机生产商：广西玉柴机器股份有限公刊 d i m e n s i o n s 外型尺寸( 长x 宽商1 ：7 8 0 0 x 2 5 0 0 x 2 9 0 0 t h et o t a lm a s s 总质量( k 曲：l1 8 0 0 z h e n 曲e i z h i l i a n g 整备质量( k g ) ：6 7 0 5 c h 旬i n g u d e p a a u r ea n g l e 接近角离去角( 。) ：3 8 4 0 w h e e l b a s e 轴距：4 5 0 0 湖北工业大学硕士学位论文 s h a f tn u m b e r 轴数：2 s e v e r a lt i r e 轮胎数：6 b e f o r e a f t e rl u n j u 前轮距后轮距：19 4 0 18 6 0 h u o x i a n g l a n b a ni ns i z e 货厢栏板内尺寸( k x 宽高1 ：5 4 0 0 x 2 3 0 0 x 8 0 0 i nt h eq u a l i t yo f t h eu t i l i z a t i o nf a c t o r 载质量利用系数：0 8 0 r a t e dc o n t a i n e dm a s s 额定装载质量( k 曲：3 9 9 0 m a xc o n t a i n e dm a s s 最大装载质量( k 曲：4 5 0 0 s u s p e n d e db e f o r e a f t e rh a n g i n g 前悬后悬：12 5 0 2 0 5 0 a x l e 1 0 a d 轴荷：3 3 0 0 6 1 0 0 m a x i m u ms p e e d 最高车速( k n v h ) - 8 5 s p r i n gf e wf i l m s 弹簧片数：8 11 + 8 t i r es p e c if i c a t i o n s 轮胎规格：9 0 0 2 0 b a s e do ns t a n d a r dc h a s s i s 底盘依据标准：g b 3 8 4 7 2 0 0 5 ，g b l7 6 9 1 2 0 0 5 ( 国i i i ) 整车备注：当轴距为4 5 0 0 m m 时，货箱对应5 0 0 0 m m 和5 3 0 0 m m ，总长对应7 3 0 0 m m 和7 6 0 0 m m ，整备质量对应6 5 0 5 k g 和6 6 0 5 k g ，额定载质量对应5 1 0 0 k g 和5 0 0 0 k g ， 后悬对应1 5 5 0 m m 和18 5 0 m m 。当轴距为4 7 0 0 m m 时，货箱对应5 4 0 0 m m 和5 7 0 0 m m ， 总长对应7 7 0 0 m m 和8 0 0 0 m m ，整备质量对应6 6 0 5 k g 和6 7 0 5 k g ，额定载质量对应 5 0 0 0 k g 和4 9 0 0 k g ，后悬对应1 7 5 0 m m 和2 0 5 0 m m 。自卸方式为后卸式。接近离去 角还可为( 度) ：3 0 2 5 ，3 0 2 3 2 使用参数 最大爬坡度：2 8 制动距离( 初速为3 0k m h ) 8 m 最小离地间隙：2 6 5 m m 最小转弯直径：1 6 m 车箱举升时间：1 5 s 车箱降落时间：1 5 s 最大举升角( o ) ：5 0 3 结构简介 车箱结构：全金属结构，全面有驾驶室防护板 倾卸机构型式：液压举升，后卸式 液压举升最大压力：1 0 m p a 举升机构型式：前置连杆组合放大式 举升控制方式：机控液 7 湖北工业大学硕士学位论文 举升缸数、安装位置、结构型式：单缸、中部、活塞式 活塞直径和行程：( 6 3 x 6 4 0 ) m m 油泵型式：c b 5 0 型齿轮泵 举升时发动机转速：1 5 0 0 1 8 0 0 f f m i n 取力器传动比：1 3 7 3 2 1 1 自卸车整车概述 普通自卸车一般结构形式为：发动机前置后轮驱动、柴油发动机、五档或六 档变速器、前转向桥、后驱动桥、边梁框式车架、长头或平头驾驶室、前后均为 纵置钢板弹簧式非独立悬架。副车架与主车架之间加装垫木，用主副车架连接座、 u 型螺栓紧固在一起，连接座位于副车架与货箱连接支座处。油缸下部销轴通过 油缸支座铰接同定于副梁油缸支座横梁上，油缸可绕油缸下销轴线在油缸支座内 摆动，油缸下销轴位于副车架对称平面并平行于副梁的对称中心线：油缸最上一节 伸缩套焊有耳孔，耳孔轴线与油缸下销轴线平行，。货箱与油缸通过销轴铰接在一 起：货箱与副车架通过销轴铰接起来。总质量小于1 9 0 0 0 k g 一般采用4 x 2 驱动形式； 总成质量超过1 9 0 0 0 k g ，采用6 x 2 或者6 x 4 的驱动形式。 自卸车主要性能参数 主要尺寸参数：轴距、轮距、外廓尺寸、前悬、后悬、接近角、离去角等； 主要质量参数：最大装载质量、整备质量、最大总质量、质量利用系数、容 积利用系数、重心位嚣等； 其他性能参数：货厢最大举升角、举升时间、降落时间；行驶与卸货时的稳 定性能 其中，行驶稳定性的计算应包括的工况有： a 、满载上坡不产生后翻的核算； b 、满载下坡制动时不产生前翻的核算； c 、满载侧坡直线行驶不产生侧翻的核算； 而卸货稳定性的计算应包括： a 、在水平路面上倾卸不后翻的核算； b 、在自卸车最大爬坡度道路上倾卸时，不产生后翻的核算。 2 1 2 举升机构型式 举升机构是自卸车的关键装置，是判别自卸车优劣的首要指标。举升机构布 湖北工业大学硕士学位论文 置应遵循的原则： a 、在放平时举升机构不能与车身底盘上安装的零部件发生十涉。 b 、在可能的情况下举升机构尽量朝前靠，以减小液压系统的压力。 c 、为减少配套件数量和加工件数量，在可能的情况下，尽量选用通用件。 目前在自卸车行业中广泛采用液压举升机构。根据油缸与车厢底板的连接 方式，常用的举升机构可以分为直接推动式和连杆组合式两大类。其中， 中、大型自卸车多采用油压特性曲线较好的举升机构，如马勒里举升机构 ( t 式) ，即油缸前推连杆放大式举升机构。如图22 。它是闷前圈内使用最多 的_ 种举升方式，适用载重量8 4 0 吨，车厢长度44 6 米。 图22 前推连秆放大式自卸车举升卸载状态 为了简化模型，可将白卸车前推连杆放大式举升机构的样机模裂抽象成图2 3 所表示的连杆机构等效模型。通常由车厢、三角形连杆a b c 、拉杆b d 、举升油 缸e c 和副车架组成。 图23 油缸前推连打放大式( 马勒里一t 式) 举升机构示意图 在图2 3 中以车厢与副车架铰支点0 点为原点建立坐标系，三角板在a 点与车厢 底板铰接，在b 点与拉杆铰接，在c 点与油缸铰接：在d 点拉杆与副车架铰接，在e 点与油缸与剐车架铰接。a b c d e 、a b c d e 分别为举升机构举升前、后的位置。 工作时，油缸充油，使油缸e c 伸长，三角臂a b c 和拉杆b d 随着转动并升高， 湖北工业大学硕士学位论文 举升车厢，使其绕支点0 倾翻。货物卸载完毕后，车厢靠自重复位【1 。 2 2 自卸车倾卸稳定性分析 稳定性是自卸汽车的一个重要性能指标，存在于静态、运行、作业3 种工 况，主要表现为滑移和侧翻。自卸汽车应具有可靠的稳定性，要求在上述任一 工况下，都能抵抗外界干扰，正确地执行操作人员的指令，并可靠地工作，不 失稳。 在传统的产品设计与开发中，一般在完成概念设计、方案论证和产品设计 ( 多采用解析法、作图法、试验法、试凑法等等) 后，还要进行样机试制及验 证，如图2 4 。根据自卸汽车性能试验方法规定，自卸车应该做专用性能试 验、泄漏试验、倾卸作业可靠性试验、倾卸稳定性试验等【2 0 】【2 l 】【2 2 1 。 、 彳、 蕞斗矗麓 型弋 、 一一 7 r 蒜、封 - ；? ， i 11 三毫警、 生童生、 侧| i 磐乡j | 拦 i i | | | l8， 掣譬善? s 磔拶 产嘎 二 ! ：! )t j l 、 前圈 徽寻 l 、 ) l l l 掣 兰够 门门 ， ， ， # 图2 4 自卸车性能试验的物理样机试验台模型 2 2 1 自卸汽车的物料卸载机理 物体在斜面的流动与其安息角有关。如果将货物看作一个整体，可以认为 举升角与车厢所载货物的安息角有着直接关系。如图2 5 所示，c i 为举升角， u 为货物与车厢的摩擦系数，g 为货物重力，流动力f l 为： f t = g 。s i nq ( 2 1 ) 摩擦阻力f ，为： f 3 = u f 2 = u g c o s c i ( 2 2 ) l o 湖北工业大学硕士学位论文 ；囊 ， 1 必 t 、l 、 ， | l ， 图2 5 货物受力分析 当q 在0 。 - 9 0 。范围内增加时，f l 随着增大，f 3 随着减小。当f l = f 3 ， 即l a = t g q 时，货物处于临界流动状态。一般运载货物与车厢的摩擦系数为 0 5 - - 0 8 ，所以当车厢举升角q 在1 0 。2 0 。时，所载货物一般是不会流 动的；当q = 2 7 。 3 8 。时，货物处于安息角的临界流动状态，可卸货。 ( 1 ) 物料的自然堆角和安息角 物料的安息角是指松散物料自然散落形成堆状后堆面的斜坡角，即物料自 身之间的摩擦角。货物静止时的安息角为静安息角，货物处于运动状态时的安 息角为动安息角。 如图2 6 所示，车厢在绕翻转轴0 点旋转以倾卸物料的过程中，车厢内物料 的坡角丫和车厢的倾卸角6 之和是一个常数，即有丫+ 6 = o l ，这个常数d i 就是土 料的自然堆角，又称为物料的安息角。 图2 6 物料的安息角 表2 1 所示为各种常见散装物料的密度和安息角。货物的安息角是影响卸 货状态的重要参数。例如，货厢最大举升角( 即货厢最大倾斜角，是货厢举升 至极限位置时，货厢底部平面与地面之间的夹角) 与安息角紧密相关。统计资 料表明，多数货物的静安息角在4 0 。 - 4 5 。的范围，因此，为了保证卸货干净， 湖北工业大学硕士学位论文 一般自卸车最大举升角常取为5 0 。 - 6 0 。此外，还需要注意在最大举升角时， 货厢后板下垂最低点与地面保持一定卸货高度。 。 表2 1 散装物料的密度和安息角 停于水平地面上的自卸车在卸料时，散装货料( 如土料) 运动轨迹总是在车 厢最大的铅垂面内，最后卸出土料，该轨迹线与水平面的交角等于土料安息角。 这部分土料的质心位于汽车纵向对称面内，对汽车不构成横向侧翻力矩。 当地面不平时，出现横向坡度倾角仅，使车厢底板横向倾斜时，车厢在举升位 置上，厢内未卸余料的分布并不对称，质心位置将离开汽车纵向对称面，偏于下 坡一侧。此时汽车上将出现附加偏心力矩，右侧土料先于左侧卸下，随着车厢的 举升，车厢内残留物料的质心愈来愈偏离自卸汽车的侧倾轴线，加大了左右悬架 变形差，严重时会使汽车失去横向稳定性。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 2 自卸汽车的稳定性分析 自卸汽车与一般载货车相比，其底盘车架、副车架、车厢副纵梁、中间垫块、 车厢等高度尺寸参数决定了自卸车较高的重心。因而其失稳的危险性也较高。其 中副车架、车厢副纵梁、中间垫块的累加高度一般为4 8 0 - - 5 5 0 m m ，再加上高栏板 货箱内高一般为1 4 0 0 1 8 0 0 m m ，这样整车的重心高度一般在2 0 0 0 2 2 0 0 m m 之间。 下面从自卸车的载货状态、作业环境因素，举升工况、举升机构受力分析及 举升工作过程中的动态稳定性等方面，从理论上分析其在举升工作中造成侧倾的 机理，为虚拟样机建模和进行稳定性分析的方案设计奠定基础【2 习： 1 静止状态整车为刚性时的自卸汽车稳定性分析 在不考虑悬架及轮胎弹性变形的情况下，即把自卸车整车视为“刚性汽车” 的模型【2 4 1 。如图2 7 为自卸车静止于具有一定横向坡度倾角u 地面上的示意图。 图2 7 不考虑悬架和轮胎变形静止状态下自卸车稳定性分析 根据有关资料可知，一般自卸汽车在侧翻时尚未发生侧滑，此时的侧翻计算 较为简单，将有关参数代入相关公式即可算出整车质心高度为： ：丝! 兰当丝! 兰鉴( 2 3 ) 彬h l 式中，h i 为底盘质心高度；h 2 为车厢和货物质心高度；w l 为底盘质量； w 2 为车厢和货物质量；h 为整车的瞬时质心高度。 而白卸汽车不发生侧翻时的横向坡度倾角为： 弘肌留( 去) 4 ， 湖北5 - 业大学硕士学位论文 式中，a 为横向坡度倾角；b 为轮胎平均着地宽度。 2 货物偏载时自卸汽车作业稳定性分析 由于自卸车装载货物的性质( 形态，密度等) 不同以及装载方式、手段( 不 同的工程机械) 等不同，客观上常造成货物的偏载。偏载使自卸汽车整车质心相 对汽车纵向轴线产生一个初始偏移x 。，货物的偏载使自卸汽车左右钢板弹簧承载 不同而发生不一致的变形，使车架左右产生高度差( h y _ h z ) ，如图2 8 所示，车厢和 货物随车架平面相对于车桥轴线产生角位移b 。当举升机构工作时车厢和货物的 质心不断增高，同时质心不断偏移，进一步加大了汽车左右钢板弹簧的变形量， 使它们之间的相对角位移0 进一步增加。下式可以非量化的反映偏转角b 的变化： f ，h 。一h ，、 = a r c t g i 上_ 二l ( 2 5 ) 、 1 9 夕 式中，b 为钢板弹簧中心宽度。 ， x l r 最丛 直 精叫专 r一瑚 强 1 r 萄鲺 摹0 | “ 孵槲剁嚣 迎 一生= ：爿 j j 哇 到鏊v 套 q 煎一，奇l i 一1 i 一 j 图2 8 货物偏载时自卸汽车作业稳定性分析 货物偏载导致的质心偏移对汽车上非刚性组件及承载地面都将产生影响。汽 车轮胎将随承载的重量而改变其着地半径r ，由于左右轮胎承重不同，产生了一个 高度差( ry r ：) ，自卸汽车车桥轴线相对地面产生角位移0r ，如下式所示： 肛口陀留f 半1 ( 2 - 6 ) d ， 在自卸汽车举升工作时，角位移6 、6r 随着自卸汽车质心的升高而不断变化。 3 整车为刚性时的自卸汽车作业稳定性分析 自卸车作为工程用车常常受到工作场地的限制。如图2 9 所示自卸车在横向坡 1 4 湖北_ y - 业大学硕士学位论文 度倾角为a 的地面上工作时，自卸车重力的方向与汽车垂直中轴线形成一个0 【角。 假设在不考虑悬架和轮胎变形的情况下，自卸汽车整车为一刚体，当举升机构工 作时，整车质心升高至h ，重力w 所指方向的延长线与地面的交点不断远离汽车 垂直中轴线与地面的交点。当倾角q 确定时，汽车的侧翻稳定性随整车的质心 c ( ) ( c ，y 。) 升高而变化。若使其不发生侧翻，则必须满足数学表达式： fn 认口r c t g l 赤1 ( 2 - 7 ) 图2 9 不考虑悬架和轮胎变形状态下自卸汽车作业稳定性分析 2 3 影响自卸汽车作业稳定性的主要因素 通过对自卸汽车作业稳定性的常规分析，影响自卸汽车作业稳定性的主要因 素主要包括以下几方面： ( 1 ) 轮距 自卸汽车的作业稳定性与轮距有很大的关系。根据前面的分析和结论，由式 ( 2 7 ) 可知，增加轮距b 值可提高自卸汽车的作业稳定性，但轮距的大小受到最 大车宽的限制，增加轮距需综合考虑各种因素o 如汽车外观、部件的布置等。对于 自卸汽车而言，轮距在底盘出厂时就已固定，因此，选择底盘时就要综合考虑各 个方面的影向，以提高自卸汽车的作业稳定性。 ( 2 ) 举升机构的选型 在自卸车设计中，举升机构的选型是一个核心问题，它直接关系到自卸汽车 的整车结构和举升性能，故必须确保举升力和最大举升角度这两项基本要求。合 理选择举升机构的形式，可以显著改变自卸汽车的作业稳定性能。例如，直推式 1 5 湖北工业大学硕士学位论文 举升倾卸机构的系统倾卸稳定性就比油缸与连杆组合式的要差。 ( 3 ) 车厢后支点之间的距离 自卸汽车车厢后支点之间的距离也是影响自卸汽车作业稳定性的主要因素， 把两后支点与举升机构支点简化成三角形，根据三角形稳定性原理，很显然增加 车厢后支点之间的距离会显著改善自卸汽车的作业稳定性能。 ( 4 ) 悬架的刚度 悬架的刚度对自卸汽车的作业稳定性影响很大，如果悬架刚度较小，将会增 加车厢和货物随车架平面相对于车桥轴线产生的角位移，增加自卸汽车整车质心 的侧向偏转，降低了其作业稳定性。 ( 5 ) 轮胎的刚度 自卸汽车轮胎的刚度也对自卸汽车的作业稳定性有一定的影响，如果自卸汽 车的轮胎刚度较低，则会增大自卸汽车车桥轴线相对地面产生的角位移，同样会 增加自卸汽车整车质心的侧向偏转，降低了其作业稳定性。 ( 6 ) 副车架和车厢底架的扭转刚度 副车架和车厢底架的扭转刚度过低将会使自卸汽车产生较大的变形，降低了 其作业稳定性。 ( 7 ) 整车质心的高度 整车质心的高度对自卸汽车的作业稳定性有很大的影响，由前述可知降低整 车质心的高度可以增加横向坡度倾角，提高自卸汽车的作业稳定性。因此应该尽 量避免自卸车使用巾超载现象的发生。 ( 8 ) 其它因素 影响自卸汽车作业稳定性的其它因素包括自卸汽车自身的结构因素：例如，自 卸汽车的装配质量、焊接质量等。另外还有自卸汽车超载，偏载太多，操作人员 的操作方法，工作场地、环境( 例如，在有强力侧向风和斜度很大的场地上进行作 业都会极易造成自卸汽车失稳) 等因素。 2 4 本章小结 本章首先就自卸汽车的物料倾卸机理进行了分析，其次就不考虑悬架和轮胎的 变形对自卸汽车的静态、作业稳定性进行了分析，最后分析了影响自卸汽车作业 稳定性的因素，和总结了提高稳定性的有效方法，为自卸汽车虚拟样机的建模及 作业稳定性仿真分析工作奠定了基础。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章虚拟样机技术及机械系统动力学软件介绍 3 1 虚拟样机技术简介 机械工程中的虚拟样机技术【2 5 1 ( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y - - v p ) 又称为 机械系统动态仿真技术，是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和 分析技术融合在一起，在计算机上利用先进c a d 技术建造出产品的整体样机 模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行各种动态性能仿真分析的评 估和测试，预测产品的整体性能，然后改进样机设计方案，通过对不同候选模 型的筛选、更改和优化将设计思路转化为正确的数字原型，用数字化形式代替 传统实物样机试验，进而改进产品设计、提高产品性能的一种计算机辅助工程 c a e 技术。虚拟样机技术涉及到诸如先进c a d 建模技术、虚拟现实技术、f e a 有限元分析技术和计算可视化等多个领域【2 叫。 美国i m d i 公司总裁r o b e r tr r y a n 博士认为利用虚拟样机技术实现功能 虚拟样机分为五个过程【2 7 】【2 8 1 ，分别为建造( b u i l d ) 、测试( t e s t ) 、验证( v