專用掛車起步性能優化

張全逾，曼茂立，豐燁，崔碩

(承德石油高等專科學校汽車工程系，河北承德067000)

專用掛車起步性能優化

張全逾，曼茂立，豐燁，崔碩

(承德石油高等專科學校汽車工程系，河北承德067000)

運用CATIA軟件建立了一種專用掛車的三維模型，導入到ADAMS軟件中，建立了模型各個部件的約束關系，并計算了掛車以15 km/h起步時牽引桿受牽引車牽引產生的水平振動加速度。針對原牽引桿結構造成牽引沖擊過大的缺陷，設計了碟形彈簧的緩沖機構，對牽引桿的結構進行優化，仿真并驗證了緩沖機構的可行性，最終將牽引桿起步產生的水平振動降低了26%，優化了掛車的起步性能，提高了牽引桿的疲勞壽命。關鍵詞: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比較成熟和完善。專用掛車由于其結構和功能的特殊性，往往是由牽引車通過牽引桿來進行牽引的［1］，這種牽引方式在起步時將產生較大的沖擊，因此要對牽引桿的結構進行特殊設計，優化其起步性能。掛車的起步性能優劣直接影響到運輸貨物的安全與完整性，成為影響車輛性能的一項重要指標［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，需要對其進行結構優化。傳統的試驗方法是使汽車在實際的路面上行駛，利用傳感器和數據采集系統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，使得測量結果不具備重復性，同時試驗過程費時費力。隨著計算機技術的發展，采用仿真軟件來模擬試驗的方法得到了極大的發展，通過隨機數據加載，自動記錄和數據采集處理，能準確模擬車輛的使用工況，大大提高了試驗的精度，節省了實際測試的工作量，使得優化過程變得快捷和容易。

1　虛擬樣機模型的建立

首先運用CATIA軟件建立專用掛車的裝配模型。將建立好的模型導入ADAMS/View軟件中得到如圖1所示虛擬樣機模型。

導入到ADAMS/View中的掛車模型，是任意自由度的模型，為保證機構運動的確定性以及真實性，需要根據實際情況施加邊界條件和驅動以及進行約束。對于像掛車樣機模型這樣的零部件數量比較多的模型，并不是每個零部件都參與其行駛運動，所以在不影響仿真結果的前提下，可以對沒有相對運動的零部件之間添加固定副［6］。依據掛車行駛過程各部件之間的運動關系，對樣機模型添加約束和驅動，共添加旋轉副8個、固定副43個、驅動副1個。

2　掛車起步性能仿真及優化

掛車由牽引車牽引進行拖運，當牽引車起步時，牽引力通過連接銷傳遞給掛車，給拉桿帶來較大的牽引力，在拉力方向對掛車產生較大沖擊，使牽引桿的使用壽命造成較大的影響，降低其疲勞強度，造成安全隱患。給模型施加約束和運動副后，設置仿真時間和步長使汽車在一定車速下勻速行駛，進行仿真，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生的振動加速度圖。

從圖2可以看到，當掛車以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計減振裝置，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、降低起步沖擊，對牽引桿的結構進行了優化，圖3為原牽引桿的結構示意圖，牽引桿與連接桿通過螺紋剛性聯接。重新設計的牽引桿結構如圖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槽內，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:當有來自左側的沖擊時，軸套壓縮左邊碟形彈簧，起到緩沖的作用，而右側產生沖擊時，連接桿的右側凸肩壓縮右碟形彈簧進行緩沖。

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

表1　選用的碟形彈簧參數表

安裝緩沖器后重新仿真計算起步時牽引桿在水平方向受到的振動加速度，并與結構優化前的結果進行對比，其結果如圖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為1 750 mm/s2，減小了26%，表明掛車所受到的水平沖擊減小，同時在時間上也可以看出掛車達到穩定車速的時間由優化前的4．5 s變為5．5 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　結論

專用掛車由于其結構和功能的特殊性，牽引車采用了牽引桿進行牽引，這種牽引方式在起步時產生了較大的沖擊。通過采用ADAMS軟件建立了掛車系統的虛擬樣機模型，仿真計算了掛車在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，設計了采用碟形彈簧的緩沖機構，并仿真驗證了緩沖機構的可行性，最終將振動沖擊降低了26%，大大提高了掛車的起步性能，達到了預期的效果。

［1］羅燈明，司鵬鹍，梅彥利．組合式全掛車液壓系統設計［J］．承德石油高等?？茖W校學報，2000，2(3):10－11．

［2］余志生．汽車理論［M］．北京:機械工業出版社，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—虛擬樣機技術入門與提高［M］．北京:機械工業出版社，2001．

Optimization of Special Trailer Starting Performance

ZHANG Quan-yu，MAN Mao-li，FENG 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，承德石油高等專科學校汽車工程系講師，碩士，主要從事汽車方面的教學研究工作。