移動式駐車制動檢驗坡臺模型及撓度分析

滕巧蘭，曹偉平,2

（1.麗水學院工學院，浙江 麗水 323000；2. 麗水市綠谷車影科技有限公司，浙江 麗水 323000）

移動式駐車制動檢驗坡臺模型及撓度分析

滕巧蘭1，曹偉平1,2

（1.麗水學院工學院，浙江 麗水 323000；2. 麗水市綠谷車影科技有限公司，浙江 麗水 323000）

文章通過理論計算和模擬，分析了復合材料制造的 20%和 15%兩種坡度的移動坡臺的力學性能，研究表明移動坡臺的各項技術指標符合國家標準。對撓度計算結果表明坡臺表面形變產生的最大傾角在合理的誤差范圍之內；模擬結果也表明用此復合材料制造的移動坡臺單個承重50kN時形變量與理論計算相符合，從而為移動坡臺作為機動車駐車制動檢驗工具提供技術支持。

移動坡臺；駐車制動；復合材料；撓度

前言

國家標準《機動車運行安全技術條件》（GB 7258-2012）[1]和《機動車安全技術檢驗項目和方法》（GB21861-2014）[2]規定：機動車駐車制動性能可以通過駐車制動試驗坡道和制動檢驗臺兩種方式進行檢驗。但目前，國內部分機動車安全技術檢驗機構受場地和資金限制，存在無駐車試驗坡道或雖有駐車試驗坡道但坡道長度無法滿足對多軸貨車、汽車列車等車輛進行駐車制動檢驗的現象。針對上述問題，作者曾經提出用移動式駐車制動檢驗坡臺組合（簡稱“移動坡臺”）替代駐車試驗坡道來檢驗車輛駐車制動性能。移動坡臺采用復合材料制作，其坡度與標準坡道相同但尺寸較小，即將駐車制動試驗坡道小型化。在測試車輛駐車制動性能時，在每個車輪下放置一個移動坡臺，檢驗車輪能否行駛上并停駐在移動坡臺上。其可行性已經得到理論論證。[3-4]

在此研究的基礎上，本文進一步探究移動坡臺制造的選材及模型尺寸問題，以及選定的材料在力學性能上是否符合國家標準。通過最大撓度的計算及UG軟件的模擬，探討移動坡臺材料的力學性能好壞，計算結果和軟件模擬圖像均表明移動坡臺產生的最大形變量在檢驗所要求的誤差范圍內，且所選用材料制造的移動坡臺應具有強度大、質量輕等特點。

1 移動坡臺設計

進行機動車駐車制動檢驗時，要求機動車駛上的移動坡臺要有足夠的承重能力和強度，以確保重型貨車或大型客車停駐在移動坡臺的臺面不易彎曲變形。經過調查分析和比較，我們發現比較適合做移動坡臺材料的是 SMC(Sheet Molding Compound)?，F代的SMC產品種類繁多，也越來越廣泛地應用于交通領域。SMC材料是一種纖維增強樹脂基復合材料，主要原料由不飽和聚酯樹脂和玻璃纖維組成，并添加GF（專用紗）、MD（填料）及各種助劑，經高溫、高壓一次性壓膜成型。該材料具有優異的電絕緣性能、機械性能、熱穩定性、耐化學防腐性。相比于傳統的木質材料或者鋼制材料，SMC具有良好的抗沖擊、抗彎曲強度、高耐摩擦性、抗老化，以及硬度高、質量輕、外表美觀等優點。因此，SMC是制作移動坡臺材料的較理想的選擇。

移動坡臺是將20%和15%的標準駐車坡道按比例縮小。為了確定移動坡臺的尺寸，應最大程度的適應各種車輛的駐車制動檢驗，特別是要能滿足并裝雙軸、并裝三軸等多軸車輛的檢測。我們從中國汽車網公告中查詢、統計了1527種車型的軸距參數。只有兩款車型最下軸距小于 1300mm，并已停止生產且在用車輛已到達黃標車和報廢狀態。因此我們設計的移動坡臺尺寸，要求能滿足軸距為1300 mm及以上車型的檢測。

我們在計算具體尺寸時，假定輪胎是剛性的，一般重型貨車的輪胎型號采用12.00R24，半徑R=619mm。對于20%坡度的移動坡臺，傾角為θ（tgθ=0.2），與車輪剛好相切時，。設高為x，則要求滿足不等式

其中軸距S=1300mm，則有，，如圖 1所示。同理對于 15%坡度的坡臺(tgθ=0.15)，也可大致估算出適合移動坡臺的尺寸。

圖1 移動坡臺尺寸示意圖

圖2 20%坡度移動坡臺尺寸圖

此外，考慮到直劈形坡臺棱角會磕碰到車胎且有可能會發生翻滾，我們將坡臺左邊垂直面處設計成圓弧緩沖斜面。在移動坡臺內部底座設計5道立柱使它更加堅固。結合實際情況下各種車輛的軸距以及輪胎產生形變等因素，最終確定適合駕駛人員方便操作的移動坡臺的尺寸數據如圖2所示。

2 移動坡臺的撓度分析

2.1 理論計算分析

根據《應用彈塑性力學》[5]，由 Kirchhoff-Love假定，各向同性材料的廣義胡克定律為：

對于矩形薄板，取一個高為h，邊長分別為dx和dy的矩形微元體，主要應力矢量σxτxy均沿中面反對稱分布，因而他們在該面上合力為0，即：

合力矩為：

Mx和Mxy分別表示作用在單位長度上的彎矩和扭矩；D表示彎曲剛度：

[1]習近平：《把思想政治工作貫穿教育教學全過程，開創我國高等教育事業發展新局面》，《人民日報》2016年12月9日。

設板的邊長分別為l和b，邊界條件可以寫成：

采用Navier解法，得撓度為：

其最大撓度為[5]：

其中：ωmax為板中心的最大撓度；q0為板表面受到的均布荷載；l為跨距（mm）；h為試樣厚度（mm）；b為試樣寬度（mm）；D為彎曲剛度，代表構件抵抗形變的能力；E為彎曲彈性模量；υ為泊松比（E=11GPa時，υ=0.3[6]）。

對于彎曲彈性模量，GB/T 1449-2005定義：材料在彈性范圍內，彎曲應力與相應的彎曲應變之比[7]。根據SMC國家標準（GB/T 15568-2008）對力學性能的要求，M1型材料E≥10.0GPa[8]。

對于彎曲強度，GB/T 1449-2005定義：試樣在彎曲破壞下，破壞載荷或最大載荷時的彎曲應力。我們考慮，此標準中的載荷為點載荷，而移動坡臺上的車輛輪胎載荷為面載荷分布，因此，參考《工程力學》[9]，得：

其中，σf為彎曲強度（或撓度為 1.5倍試樣厚度時的彎曲應力）；P為破壞載荷（或最大載荷，或撓度為1.5倍試樣厚度時的載荷）。

據SMC材料的國家標準力學性能M1型指標的要求，彎曲強度σf≥170MPaMPa。結合設計移動坡臺的尺寸參數，則可算出移動坡臺最大載荷 P≥158KN，完全滿足單個移動坡臺載荷50.0 KN的要求。

移動坡臺底座設計有5道立柱（加強筋），每道立柱寬10 mm，中間橫排4個空格，2個立柱夾1個空格為1組，共有 4組。計算每個空格對應的四邊簡支尺寸參數：l≈96.7mm，h≈15mm，b≈62.5mm。移動坡臺載荷取P=50KN，估算輪胎與斜面的接觸面積大約為100mm×200mm。則分布在四邊簡支空格上方表面的均布荷載為：

彎曲剛度為D=3400。因此，對于最大撓度的計算，公式（1）的級數收斂很快，我們只?。╩,n）的組合的（1,1）、（3,1）、（1,3），忽略其他高階項。則求得最大撓度為：ωMAX=0.097mm

四邊簡支空格上方表面彎曲形變產生的斜面其最大的傾角為：

參照汽車檢測設備的檢定技術條件要求（制動檢驗臺的示值誤差為±3%），可計算移動坡臺傾斜面與底面之間夾角的誤差范圍。設實際的傾斜角為γ，車輛重力沿斜面方向分力為Gsinγ；對于20%坡度的坡臺，設移動坡臺高為x，長為5x（按照國家標準），則傾斜角θ=tan-1（0.2），θ=11.31°。由誤差計算公式：

得出移動坡臺斜坡傾斜角允許的取值范圍為：γ=10.97°~11.65°，彎曲形變最大傾角可達0.34°；同理，對于15%坡度的坡臺，傾斜角θ=8.53°，γ的取值范圍為：γ=8.25°~8.77°，彎曲形變最大傾角為 0.24°。

由此可見，四邊簡支空格上方彎曲形變產生的最大傾角（0.057°）在合理的誤差范圍之內。

2.2 軟件模擬結果分析

利用UG NX8.5軟件，我們模擬出 20%坡度的移動坡臺的應力分布和形變量，如圖3所示：

圖3 20%坡度的移動坡臺所受應力圖（左）和形變量圖（右）

我們發現，當均布載荷為均布荷載為q0=2.45×106N/m2時，最大的形變量為 0.0834mm，與理論計算較一致，也符合理論對誤差范圍的要求。在對樣品的實際測試表明，其形變量在0.1mm以內，仍符合標準的要求。當然，對于實際采用的 SMC材料，由于很難測定其準確的彎曲強度，因此無法對形變量做定量對比，有待將來進一步研究。

3 總結

根據實際車輛軸距的尺寸，我們計算了適合實際檢驗的移動坡臺的尺寸，試驗并找到了制作移動坡臺的合適的材料。從理論和計算機模擬方面分別得到了移動坡臺的相關力學性能。結果表明，在國家標準規定的最大載荷作用下，樣品的最大形變量在允許的誤差范圍內，從而為樣品作為機動車駐車制動檢驗提供有力的技術支持，為將來的實際應用做好準備。

[1] GB 7258-2012, 機動車安全運行技術條件[S].

[2] GB21861-2014, 機動車安全技術檢驗項目和方法[S].

[3] 曹偉平, 武旭平, 麻偉明, 藍岳明. 關于汽車駐車制動性能檢驗三種模型的差異分析[J]. 科技資訊, 2014, 36: 61-62.

[4] 麻偉明, 武學平, 曹偉平, 藍岳明. 小型駐車制動檢驗坡臺可行性分析[J]. 汽車維護與修理, 2015, 2: 77-78.

[5] 張宏. 應用彈塑性力學. 西安. 西北工業大學出版社[M]. 54-65.

[6] 耿廣銳, 郎寶永, 陳世明. 基于 OptiStruct 形貌優化分析技術的商用車發動機油 底殼設計方法[C] Altair 2012 HyperWorks 技術大會. 2012.

[7] GB/T 1449-2005. 纖維增強塑料彎曲性能試驗方法[S].

[8] GB/T 15568-2008. 通用型片狀塑料膜（SMC）[S].

[9] 劉明威. 工程力學. 武漢. 武漢大學出版社[M]. 368-405.

Model and deflection analysis of mobile slope station to test parking brake

Teng Qiaolan, Cao Weiping
( 1.College of Engineering, Lishui University, Zhejiang Lishui 323000; 2.Lishui Lvgucheying Science and Technology Ltd., Zhejiang Lishui 323000 )

Through theoretical calculation and simulation, we analyze mechanical property of mobile slope station manufactured by composite materials with two slopes of 20% and 15%, respectively. The results show that the qualification of the mobile slope station is coincident with national standards. The calculation results of deflection indicate that the maximum angle caused by deformation is in a reasonable error range. The simulation results also indicate that deformation degree of mobile slope station bearing 50kN is in accord with theoretical calculation. These conclusions provide the technical support to mobile slope station as a testing instrument for parking brake of motor vehicles.

Mobile slope station; Parking brake; Composite material; Deflection

CLC NO.: U465.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-189-03

U465.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-189-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.063

曹偉平，男，副教授，博士，就職于麗水學院。基金項目：本研究得到麗水市高層次人才項目（2014RC28）的資助。