應(yīng)急復(fù)雜路況條件自裝卸車(chē)輛上裝適應(yīng)性設(shè)計(jì)

段馨蕊 季曉亮 石凱飛 馬明波

北京三興汽車(chē)有限公司 北京 100070

1 前言

以整體自裝卸車(chē)為平臺(tái)，搭載不同的功能上裝模塊實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)，已成為系統(tǒng)化快速運(yùn)輸、裝卸、作業(yè)保障的趨勢(shì)。傳統(tǒng)自裝卸車(chē)輛以環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域應(yīng)用為主，主要用于垃圾箱的自裝卸和自?xún)A卸，應(yīng)用環(huán)境主要是城市等級(jí)道路，對(duì)車(chē)輛的適應(yīng)性要求較低，不太適應(yīng)復(fù)雜的路況。

為了降低自裝卸車(chē)輛上裝功能模塊在復(fù)雜路況下的振動(dòng)影響，在自裝卸車(chē)輛的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮地面適應(yīng)性，針對(duì)以上問(wèn)題，以自裝卸上裝托架設(shè)計(jì)為例介紹了一種柔性設(shè)計(jì)方案，通過(guò)有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該設(shè)計(jì)方案有效地解決了自裝卸上裝托架的操縱艙門(mén)等活動(dòng)部件密封不嚴(yán)，甚至操縱艙門(mén)無(wú)法關(guān)閉的問(wèn)題。

2 自裝卸上裝設(shè)計(jì)

用于應(yīng)急救援保障的一些自裝卸車(chē)以托盤(pán)式上裝為主要運(yùn)載方式。以筆者設(shè)計(jì)的自裝卸油罐托盤(pán)為例，該上裝由自裝卸托架總成、罐體總成和加油艙總成組成。考慮整車(chē)承載性和軸荷分配，將油罐托盤(pán)的加油艙設(shè)置在自裝卸托架后部，考慮其輕量化設(shè)計(jì)，加油艙總成和油罐總成采用鋁合金組焊形式。加油艙艙體三側(cè)開(kāi)門(mén)，整個(gè)艙體與托架采用螺栓連接。簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。自裝卸作業(yè)時(shí)油罐托盤(pán)通過(guò)托架總成后部的兩個(gè)滾輪與地面滾動(dòng)接觸，運(yùn)動(dòng)行程示意圖如圖2所示。

圖1 自裝卸油罐托盤(pán)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 自裝卸作業(yè)車(chē)廂運(yùn)動(dòng)行程圖

在油罐托盤(pán)起吊過(guò)程中，如遇到崎嶇不平的路況時(shí)，會(huì)因路面不平造成托架尾部的兩個(gè)滾輪發(fā)生相對(duì)于車(chē)中軸線(xiàn)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致托架出現(xiàn)一個(gè)滾輪懸空一個(gè)滾輪觸地的狀況，由于重力的作用導(dǎo)致托架左右兩端車(chē)架受到相對(duì)扭轉(zhuǎn)的作用，使得后部一側(cè)產(chǎn)生相對(duì)于另一側(cè)發(fā)生較大的相對(duì)位移，這對(duì)操縱艙非常不利，尤其是操縱艙門(mén)等活動(dòng)部件，兩端艙門(mén)會(huì)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。當(dāng)相對(duì)錯(cuò)動(dòng)位移較大時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)艙門(mén)密封不嚴(yán)，甚至由于操縱艙艙門(mén)的門(mén)閂與門(mén)插孔發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位而導(dǎo)致門(mén)關(guān)不上。

3 操縱艙門(mén)的剛度校核

3.1 模型與網(wǎng)格劃分

在確定車(chē)架實(shí)體模型時(shí)，對(duì)關(guān)注部件的受力影響不大的小零件省略，對(duì)于關(guān)注部位采用網(wǎng)格質(zhì)量較高的六面體網(wǎng)格劃分方法，對(duì)于其他部位采用四面體網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格如圖3所示，共193 903個(gè)節(jié)點(diǎn)，75 209個(gè)單元。單元質(zhì)量指數(shù)均值大于0.7。

3.2 受力分析

圖3 有限元分析劃分網(wǎng)格圖

托架受到的載荷的作用：在水平位置時(shí)，托架受到載荷的重力作用只有法向向量，隨著起吊的緩慢進(jìn)行，托架與地面成θ角，并逐漸增大，載荷對(duì)托架的作用力分為切向和法向兩個(gè)作用力。法向力逐漸減小，切向力逐漸增加。對(duì)托架施加不同方向的彎曲作用。Workbench瞬態(tài)分析中將載荷表示成隨時(shí)間time變化的函數(shù)。車(chē)廂支撐輪受力模型如圖4所示。

根據(jù)托架提升角度公式：

式中，θ為托架提升角度。

式中，F(xiàn)1(t)為重力托架垂直分量；G為重力；ω為托架提升角速度；F2(t)為重力托架水平分量。

圖4 車(chē)廂支撐輪受力模型

在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)一端滾輪和吊鉤位置固定。托架受動(dòng)載荷。按照油罐托盤(pán)的載荷對(duì)托架加載載荷，如圖5所示。圖5中BCDEFG代表托架實(shí)際工作時(shí)布置于不同位置的載荷對(duì)托架施加的均布面載荷，其中DG代表工具箱對(duì)托架的兩個(gè)方向的載荷，CF代表油罐總成對(duì)托架的兩個(gè)方向的載荷，BE代表操縱艙總成對(duì)托架的兩個(gè)方向的載荷。具體由下列公式求出：

圖5 車(chē)廂底架邊界條件圖

通過(guò)軟件的模擬計(jì)算，可以看到在起吊起始點(diǎn)到終止點(diǎn)過(guò)程中托架尾部的最大變形量為9.6 mm，發(fā)生在起始位置，如圖6所示。由于開(kāi)始時(shí)垂直載荷最大導(dǎo)致Y向變形最大，隨著起吊角度的增加，垂直載荷逐漸減少，切向載荷逐漸增加，所以Z向變形逐漸加大。

圖6 改進(jìn)前有限元諧響應(yīng)圖

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的自裝卸起吊過(guò)程中，由于地面不平導(dǎo)致一側(cè)后滾輪的實(shí)際受力形式處于不斷變化中，考慮到自裝卸托盤(pán)的作業(yè)方式，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果采用剛度加強(qiáng)方案，需要增加較多質(zhì)量，很難完全消除復(fù)雜地面作業(yè)時(shí)托架尾部的變形，所以只能考慮使托架的變形不傳遞到操縱艙。這就需要設(shè)計(jì)連接方式，采用傳統(tǒng)硬連接方式，會(huì)使與其連接的操縱艙也隨之變形，導(dǎo)致的艙門(mén)密封和閉合出現(xiàn)問(wèn)題，所以需要進(jìn)行柔性連接，在操縱艙與托架之間增加彈簧，安裝時(shí)有一定的預(yù)緊力，在平路面進(jìn)行自裝卸作業(yè)時(shí)相對(duì)固定，而在不平路面作業(yè)時(shí)，通過(guò)壓縮彈簧減小操縱艙的受力，進(jìn)而大幅減小變形量，具體設(shè)計(jì)如圖7所示。

具體工作原理為：在操作倉(cāng)和托架上鉆孔布置螺釘，在螺釘伸出托架的部分套上彈簧座其上布置彈簧，彈簧另一端使用彈簧壓板進(jìn)行限位，彈簧壓板上部與螺母共同被

在實(shí)際的自裝卸起吊過(guò)程中，由于地面不平導(dǎo)致一側(cè)后滾輪的實(shí)際受力形式處于不斷變化中，考慮到自裝卸托盤(pán)的作業(yè)方式，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果采用剛度加強(qiáng)方案，需要增加較多質(zhì)量，很難完全消除復(fù)雜地面作業(yè)時(shí)托架尾部的變形，所以只能考慮使托架的變形不傳遞到操縱艙。這就需要設(shè)計(jì)連接方式，采用傳統(tǒng)硬連接方式，會(huì)使與其連接的操縱艙也隨之變形，導(dǎo)致的艙門(mén)密封和閉合出現(xiàn)問(wèn)題，所以需要進(jìn)行柔性連接，在操縱艙與托架之間增加彈簧，安裝時(shí)有一定的預(yù)緊力，在平路面進(jìn)行自裝卸作業(yè)時(shí)相對(duì)固定，而在不平路面作業(yè)時(shí)，通過(guò)壓縮彈簧減小操縱艙的受力，進(jìn)而大幅減小變形量，具體設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

具體工作原理為：在操作倉(cāng)和托架上鉆孔布置螺釘，在螺釘伸出托架的部分套上彈簧座其上布置彈簧，彈簧另一端使用彈簧壓板進(jìn)行限位，彈簧壓板上部與螺母共同被銷(xiāo)子固定在螺釘上。這樣在托架在上下振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)波經(jīng)過(guò)彈簧的減振方才傳入操作倉(cāng)一側(cè)。此機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了操作倉(cāng)與托架之間的減振隔振作用。銷(xiāo)子固定在螺釘上。這樣在托架在上下振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)波經(jīng)過(guò)彈簧的減振方才傳入操作倉(cāng)一側(cè)。此機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了操作倉(cāng)與托架之間的減振隔振作用。

5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

托架在受到扭轉(zhuǎn)作用時(shí)，將托架動(dòng)力學(xué)模型的邊界條件簡(jiǎn)化為托架尾部的一個(gè)滾輪固定，另一個(gè)滾輪輸入豎直向上的正弦交變載荷的作用力，計(jì)算出托架左右兩端車(chē)架的相對(duì)變形量大小從而揭示托架尾部艙門(mén)位置相對(duì)錯(cuò)動(dòng)位移大小隨著路面不平度變化的規(guī)律。

諧響應(yīng)分析用于確定線(xiàn)性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦[3]（簡(jiǎn)諧）規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，通過(guò)諧響應(yīng)分析，可以得到結(jié)構(gòu)在一些頻率下的響應(yīng)值和頻率的關(guān)系曲線(xiàn)圖，分析響應(yīng)曲線(xiàn)能夠了解結(jié)構(gòu)的持續(xù)性動(dòng)力特性。進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí)，可采用完全法，模態(tài)疊加法以及縮減法[4]對(duì)有限元方程進(jìn)行求解。

托架在受到扭轉(zhuǎn)作用時(shí)，將托架動(dòng)力學(xué)模型的邊界條件簡(jiǎn)化為托架尾部的一個(gè)滾輪固定，另一個(gè)滾輪輸入豎直向上的正弦交變載荷的作用力，計(jì)算出托架左右兩端車(chē)架

使用進(jìn)行結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析主要采取以下兩種方法：完全法和模態(tài)疊加法。在目前版本的中，不支持對(duì)結(jié)構(gòu)加入預(yù)應(yīng)力的諧響應(yīng)分析。本文采用模態(tài)疊加法對(duì)車(chē)廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

通過(guò)Ansys workbench有限元仿真，用方塊模擬操縱艙，方塊與托架之間施加彈簧。托架最大變形量達(dá)到9.6 mm，將此受迫變形作為輸入激勵(lì)，建立質(zhì)量M，彈簧K，阻尼C動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，輸出在此激勵(lì)下，方塊上表面的位移量。添加彈簧元件K=30 N/mm，C=0.03 Ns/mm，由于實(shí)際路況路面的激勵(lì)多在20 Hz左右，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速750 r/min 時(shí)，相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率25～30 Hz，常用車(chē)速50～80 km/h 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率為48～65 Hz，因此考慮此受迫振動(dòng)的激勵(lì)頻率在20～100 Hz ，設(shè)置諧響應(yīng)的頻率考察范圍為20～100 Hz，其頻率間隔為5 Hz。

使用進(jìn)行結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析主要采取以下兩種方法：完全法和模態(tài)疊加法。在目前版本的中，不支持對(duì)結(jié)構(gòu)加入預(yù)應(yīng)力的諧響應(yīng)分析。本文采用模態(tài)疊加法對(duì)車(chē)廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

通過(guò)Ansys workbench有限元仿真，用方塊模擬操縱艙，方塊與托架之間施加彈簧。托架最大變形量達(dá)到9.6 mm，將此受迫變形作為輸入激勵(lì)，建立質(zhì)量M，彈簧K，阻尼C動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，輸出在此激勵(lì)下，方塊上表面的位移量。添加彈簧元件K=30 N/mm，C=0.03 Ns/mm，由于實(shí)際路況路面的激勵(lì)多在20 Hz左右，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速750 r/min 時(shí)，相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率25～30 Hz，常用車(chē)速50～80 km/h 時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率為48～65 Hz，因此考慮此受迫振動(dòng)的激勵(lì)頻率在20～100 Hz ，設(shè)置諧響應(yīng)的頻率考察范圍為20～100 Hz，其頻率間隔為5 Hz。

施加載荷和邊界條件，如圖8所示。

選取固定塊上表面模擬操縱艙門(mén)進(jìn)行諧響應(yīng)求解。從圖9～11可以看出，方塊部件經(jīng)過(guò)彈簧的緩沖作用，Y向的

施加載荷和邊界條件，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

圖9 諧響應(yīng)分析位置為示意圖

圖10 諧響應(yīng)分析采樣頻率

圖11 固定塊上表面變形頻率響應(yīng)曲線(xiàn)

圖12 應(yīng)用在生產(chǎn)中的結(jié)構(gòu)圖

選取固定塊上表面模擬操縱艙門(mén)進(jìn)行諧響應(yīng)求解。從圖9～11可以看出，方塊部件經(jīng)過(guò)彈簧的緩沖作用，Y向的位移量明顯減小，在頻率考察范圍20～100 Hz之間，Y向的位移量最大值僅為3.66 mm，較改進(jìn)前的位移量9.6 mm減少了62%，而且當(dāng)激勵(lì)頻率越大，彈簧緩沖作用越明顯。由此可知在系統(tǒng)中添加彈簧很好地解決了由于托架變形導(dǎo)致的操縱艙門(mén)位移過(guò)大而關(guān)不上門(mén)的現(xiàn)象。位移量明顯減小，在頻率考察范圍20～100 Hz之間，Y向的位移量最大值僅為3.66 mm，較改進(jìn)前的位移量9.6 mm減少了62%，而且當(dāng)激勵(lì)頻率越大，彈簧緩沖作用越明顯。由此可知在系統(tǒng)中添加彈簧很好地解決了由于托架變形導(dǎo)致的操縱艙門(mén)位移過(guò)大而關(guān)不上門(mén)的現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

具體生產(chǎn)時(shí)，在操縱艙與托架之間增加T型膠條，既滿(mǎn)足密封要求又美觀，如圖12所示。通過(guò)整套保障系統(tǒng)在救援隊(duì)的示范應(yīng)用，此設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果，提高了裝備對(duì)惡[ 5 ] 劣地面條件的適應(yīng)性，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)急救援需求，為同類(lèi)自裝卸托盤(pán)化上裝的設(shè)計(jì)提供了解決方案。