專用掛車起步性能優(yōu)化

張全逾，曼茂立，豐燁，崔碩

(承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

專用掛車起步性能優(yōu)化

張全逾，曼茂立，豐燁，崔碩

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

運(yùn)用CATIA軟件建立了一種專用掛車的三維模型，導(dǎo)入到ADAMS軟件中，建立了模型各個部件的約束關(guān)系，并計(jì)算了掛車以15 km/h起步時牽引桿受牽引車牽引產(chǎn)生的水平振動加速度。針對原牽引桿結(jié)構(gòu)造成牽引沖擊過大的缺陷，設(shè)計(jì)了碟形彈簧的緩沖機(jī)構(gòu)，對牽引桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，仿真并驗(yàn)證了緩沖機(jī)構(gòu)的可行性，最終將牽引桿起步產(chǎn)生的水平振動降低了26%，優(yōu)化了掛車的起步性能，提高了牽引桿的疲勞壽命。關(guān)鍵詞:專用掛車;ADAMS軟件;牽引桿;牽引沖擊;起步性能

半掛車均是通過牽引銷由牽引車的牽引座連接而進(jìn)行牽引的，目前對牽引銷及牽引座的振動沖擊和疲勞分析已經(jīng)比較成熟和完善。專用掛車由于其結(jié)構(gòu)和功能的特殊性，往往是由牽引車通過牽引桿來進(jìn)行牽引的［1］，這種牽引方式在起步時將產(chǎn)生較大的沖擊，因此要對牽引桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，優(yōu)化其起步性能。掛車的起步性能優(yōu)劣直接影響到運(yùn)輸貨物的安全與完整性，成為影響車輛性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)［2-5］。同時，車輛起步時，牽引車會對掛車的牽引桿造成較大的沖擊，影響車輛的行駛性能并降低牽引桿的疲勞壽命，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法是使汽車在實(shí)際的路面上行駛，利用傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集汽車所測部位的振動加速度信號。這樣得到的振動沖擊大小必然受到路面不平度的影響，使得測量結(jié)果不具備重復(fù)性，同時試驗(yàn)過程費(fèi)時費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用仿真軟件來模擬試驗(yàn)的方法得到了極大的發(fā)展，通過隨機(jī)數(shù)據(jù)加載，自動記錄和數(shù)據(jù)采集處理，能準(zhǔn)確模擬車輛的使用工況，大大提高了試驗(yàn)的精度，節(jié)省了實(shí)際測試的工作量，使得優(yōu)化過程變得快捷和容易。

1　虛擬樣機(jī)模型的建立

首先運(yùn)用CATIA軟件建立專用掛車的裝配模型。將建立好的模型導(dǎo)入ADAMS/View軟件中得到如圖1所示虛擬樣機(jī)模型。

導(dǎo)入到ADAMS/View中的掛車模型，是任意自由度的模型，為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動的確定性以及真實(shí)性，需要根據(jù)實(shí)際情況施加邊界條件和驅(qū)動以及進(jìn)行約束。對于像掛車樣機(jī)模型這樣的零部件數(shù)量比較多的模型，并不是每個零部件都參與其行駛運(yùn)動，所以在不影響仿真結(jié)果的前提下，可以對沒有相對運(yùn)動的零部件之間添加固定副［6］。依據(jù)掛車行駛過程各部件之間的運(yùn)動關(guān)系，對樣機(jī)模型添加約束和驅(qū)動，共添加旋轉(zhuǎn)副8個、固定副43個、驅(qū)動副1個。

2　掛車起步性能仿真及優(yōu)化

掛車由牽引車牽引進(jìn)行拖運(yùn)，當(dāng)牽引車起步時，牽引力通過連接銷傳遞給掛車，給拉桿帶來較大的牽引力，在拉力方向?qū)燔嚠a(chǎn)生較大沖擊，使?fàn)恳龡U的使用壽命造成較大的影響，降低其疲勞強(qiáng)度，造成安全隱患。給模型施加約束和運(yùn)動副后，設(shè)置仿真時間和步長使汽車在一定車速下勻速行駛，進(jìn)行仿真，由于該掛車的額定車速為20 km/h，這里將仿真車速設(shè)為15 km/h。圖2為掛車以15 km/h起步時，掛車牽引桿受牽引拉力產(chǎn)生的振動加速度圖。

從圖2可以看到，當(dāng)掛車以15 km/h的速度起步時，掛車受到水平方向的加速度迅速增加到2 376 mm/s2并產(chǎn)生劇烈震蕩形成很大沖擊。為了降低牽引車對掛車牽引桿的沖擊作用，需要對掛車牽引桿設(shè)計(jì)減振裝置，增加其起步時間，降低起步瞬間的沖擊力。

為了增加起步時間、降低起步?jīng)_擊，對牽引桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，圖3為原牽引桿的結(jié)構(gòu)示意圖，牽引桿與連接桿通過螺紋剛性聯(lián)接。重新設(shè)計(jì)的牽引桿結(jié)構(gòu)如圖4所示。牽引桿與連接桿通過緩沖裝置連接，緩沖裝置由兩片對置的碟形彈簧組成，左碟形彈簧的小端由軸套限位，大端由連接套限位，右碟形彈簧大端靠在連接套上，小端安裝在連接桿的環(huán)槽內(nèi)，而軸套嵌套在連接桿上，連接套左端和牽引桿之間采用螺紋連接。其工作原理為:當(dāng)有來自左側(cè)的沖擊時，軸套壓縮左邊碟形彈簧，起到緩沖的作用，而右側(cè)產(chǎn)生沖擊時，連接桿的右側(cè)凸肩壓縮右碟形彈簧進(jìn)行緩沖。

碟形彈簧截面呈淺圓錐形，其特點(diǎn)是具有較小的幾何尺寸、較大的承載能力、很強(qiáng)的緩沖減震性能，廣泛應(yīng)用于減震器等設(shè)備中。雖然碟形彈簧屬于非線性彈簧，但在最大變形范圍內(nèi)其載荷與位移的關(guān)系可以近似采用直線進(jìn)行擬合，這為在ADAMS軟件中進(jìn)行仿真提供了方便，故在ADAMS中可以采用普通螺旋彈簧來代替碟形彈簧進(jìn)行模擬計(jì)算。在國標(biāo)中對碟形彈簧的規(guī)格進(jìn)行了明確規(guī)定，此結(jié)構(gòu)選用的碟形彈簧參數(shù)如表1所示。

表1　選用的碟形彈簧參數(shù)表

安裝緩沖器后重新仿真計(jì)算起步時牽引桿在水平方向受到的振動加速度，并與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的結(jié)果進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖5所示。

掛車牽引桿在水平方向的加速度在安裝緩沖器后變?yōu)? 750 mm/s2，減小了26%，表明掛車所受到的水平?jīng)_擊減小，同時在時間上也可以看出掛車達(dá)到穩(wěn)定車速的時間由優(yōu)化前的4．5 s變?yōu)?．5 s，增加了牽引桿與連接桿通的傳力時間，使得掛車所受的沖擊減小，提高了其疲勞壽命。

3　結(jié)論

專用掛車由于其結(jié)構(gòu)和功能的特殊性，牽引車采用了牽引桿進(jìn)行牽引，這種牽引方式在起步時產(chǎn)生了較大的沖擊。通過采用ADAMS軟件建立了掛車系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，仿真計(jì)算了掛車在15 km/h起步時牽引桿受到水平方向的振動沖擊大小。為了減小沖擊，提高牽引桿的疲勞壽命，設(shè)計(jì)了采用碟形彈簧的緩沖機(jī)構(gòu)，并仿真驗(yàn)證了緩沖機(jī)構(gòu)的可行性，最終將振動沖擊降低了26%，大大提高了掛車的起步性能，達(dá)到了預(yù)期的效果。

［1］羅燈明，司鵬鹍，梅彥利．組合式全掛車液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2000，2(3):10－11．

［2］余志生．汽車?yán)碚摚跰］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

［3］Michael W，Paul D．An interactive environment for virtual manufacturing［J］．Computers in industry，1991，38(1):5－6．

［4］Bullinger HJ，Warschat J．Rapid product development an overview［J］．Computers in Industry，2000，42(2):99－108．

［5］Andert．Collaborative virtual prototyping and test［J］．Naval Engineers Journal，1998，110(6):17－20．

［6］鄭建榮．ADAMS—虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

Optimization of Special Trailer Starting Performance

ZHANG Quan-yu，MAN Mao-li，F(xiàn)ENG Ye，CUI Shuo
(Department of Automotive Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

This paper established the three－dimensional model of a special trailer using CATIA software，and it also imported that into the ADAMS software，set up the constraint relationship between the parts in the model and calculated the horizontal vibration acceleration of the trailer produced by the tractor traction when it started with 15 km/h．Due to the defect that the original traction rod structure caused too much traction shock，the paper designed the disc spring buffer mechanism to optimize the structure of the traction rod，simulated and verified the feasibility of buffering mechanism，eventually the horizontal vibration produced due to the start of the traction rod was reduced by 26%，which optimized the starting performance of the trailer and enhanced the fatigue life of the traction rod．

special trailer;ADAMS software;traction rod;traction shock;starting performance

U469．5

A

1008-9446(2015)02-0055-03

2014-10-24

張全逾(1980－)，男，四川資中人，承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系講師，碩士，主要從事汽車方面的教學(xué)研究工作。