應急復雜路況條件自裝卸車輛上裝適應性設計

段馨蕊 季曉亮 石凱飛 馬明波

北京三興汽車有限公司 北京 100070

1 前言

以整體自裝卸車為平臺，搭載不同的功能上裝模塊實現多種作業，已成為系統化快速運輸、裝卸、作業保障的趨勢。傳統自裝卸車輛以環衛領域應用為主，主要用于垃圾箱的自裝卸和自傾卸，應用環境主要是城市等級道路，對車輛的適應性要求較低，不太適應復雜的路況。

為了降低自裝卸車輛上裝功能模塊在復雜路況下的振動影響，在自裝卸車輛的設計過程中需要充分考慮地面適應性，針對以上問題，以自裝卸上裝托架設計為例介紹了一種柔性設計方案，通過有限元分析和試驗驗證表明，該設計方案有效地解決了自裝卸上裝托架的操縱艙門等活動部件密封不嚴，甚至操縱艙門無法關閉的問題。

2 自裝卸上裝設計

用于應急救援保障的一些自裝卸車以托盤式上裝為主要運載方式。以筆者設計的自裝卸油罐托盤為例，該上裝由自裝卸托架總成、罐體總成和加油艙總成組成。考慮整車承載性和軸荷分配，將油罐托盤的加油艙設置在自裝卸托架后部，考慮其輕量化設計，加油艙總成和油罐總成采用鋁合金組焊形式。加油艙艙體三側開門，整個艙體與托架采用螺栓連接。簡要結構示意圖如圖1所示。自裝卸作業時油罐托盤通過托架總成后部的兩個滾輪與地面滾動接觸，運動行程示意圖如圖2所示。

圖1 自裝卸油罐托盤簡要結構示意圖

圖2 自裝卸作業車廂運動行程圖

在油罐托盤起吊過程中，如遇到崎嶇不平的路況時，會因路面不平造成托架尾部的兩個滾輪發生相對于車中軸線的相對扭轉，導致托架出現一個滾輪懸空一個滾輪觸地的狀況，由于重力的作用導致托架左右兩端車架受到相對扭轉的作用，使得后部一側產生相對于另一側發生較大的相對位移，這對操縱艙非常不利，尤其是操縱艙門等活動部件，兩端艙門會發生相對錯動。當相對錯動位移較大時，常常會出現艙門密封不嚴，甚至由于操縱艙艙門的門閂與門插孔發生相對錯位而導致門關不上。

3 操縱艙門的剛度校核

3.1 模型與網格劃分

在確定車架實體模型時，對關注部件的受力影響不大的小零件省略，對于關注部位采用網格質量較高的六面體網格劃分方法，對于其他部位采用四面體網格劃分。劃分網格如圖3所示，共193 903個節點，75 209個單元。單元質量指數均值大于0.7。

3.2 受力分析

圖3 有限元分析劃分網格圖

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

根據托架提升角度公式：

式中，θ為托架提升角度。

式中，F1(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 車廂支撐輪受力模型

在運行過程中，對一端滾輪和吊鉤位置固定。托架受動載荷。按照油罐托盤的載荷對托架加載載荷，如圖5所示。圖5中BCDEFG代表托架實際工作時布置于不同位置的載荷對托架施加的均布面載荷，其中DG代表工具箱對托架的兩個方向的載荷，CF代表油罐總成對托架的兩個方向的載荷，BE代表操縱艙總成對托架的兩個方向的載荷。具體由下列公式求出：

圖5 車廂底架邊界條件圖

通過軟件的模擬計算，可以看到在起吊起始點到終止點過程中托架尾部的最大變形量為9.6 mm，發生在起始位置，如圖6所示。由于開始時垂直載荷最大導致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 改進前有限元諧響應圖

4 改進設計

在實際的自裝卸起吊過程中，由于地面不平導致一側后滾輪的實際受力形式處于不斷變化中，考慮到自裝卸托盤的作業方式，根據設計經驗，如果采用剛度加強方案，需要增加較多質量，很難完全消除復雜地面作業時托架尾部的變形，所以只能考慮使托架的變形不傳遞到操縱艙。這就需要設計連接方式，采用傳統硬連接方式，會使與其連接的操縱艙也隨之變形，導致的艙門密封和閉合出現問題，所以需要進行柔性連接，在操縱艙與托架之間增加彈簧，安裝時有一定的預緊力，在平路面進行自裝卸作業時相對固定，而在不平路面作業時，通過壓縮彈簧減小操縱艙的受力，進而大幅減小變形量，具體設計如圖7所示。

具體工作原理為：在操作倉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行限位，彈簧壓板上部與螺母共同被

在實際的自裝卸起吊過程中，由于地面不平導致一側后滾輪的實際受力形式處于不斷變化中，考慮到自裝卸托盤的作業方式，根據設計經驗，如果采用剛度加強方案，需要增加較多質量，很難完全消除復雜地面作業時托架尾部的變形，所以只能考慮使托架的變形不傳遞到操縱艙。這就需要設計連接方式，采用傳統硬連接方式，會使與其連接的操縱艙也隨之變形，導致的艙門密封和閉合出現問題，所以需要進行柔性連接，在操縱艙與托架之間增加彈簧，安裝時有一定的預緊力，在平路面進行自裝卸作業時相對固定，而在不平路面作業時，通過壓縮彈簧減小操縱艙的受力，進而大幅減小變形量，具體設計如圖7所示。

圖7 減振結構設計圖

具體工作原理為：在操作倉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行限位，彈簧壓板上部與螺母共同被銷子固定在螺釘上。這樣在托架在上下振動時，振動波經過彈簧的減振方才傳入操作倉一側。此機構實現了操作倉與托架之間的減振隔振作用。銷子固定在螺釘上。這樣在托架在上下振動時，振動波經過彈簧的減振方才傳入操作倉一側。此機構實現了操作倉與托架之間的減振隔振作用。

5 設計驗證

托架在受到扭轉作用時，將托架動力學模型的邊界條件簡化為托架尾部的一個滾輪固定，另一個滾輪輸入豎直向上的正弦交變載荷的作用力，計算出托架左右兩端車架的相對變形量大小從而揭示托架尾部艙門位置相對錯動位移大小隨著路面不平度變化的規律。

諧響應分析用于確定線性結構在承受隨時間按正弦[3]（簡諧）規律變化的載荷時的穩態響應，通過諧響應分析，可以得到結構在一些頻率下的響應值和頻率的關系曲線圖，分析響應曲線能夠了解結構的持續性動力特性。進行諧響應分析時，可采用完全法，模態疊加法以及縮減法[4]對有限元方程進行求解。

托架在受到扭轉作用時，將托架動力學模型的邊界條件簡化為托架尾部的一個滾輪固定，另一個滾輪輸入豎直向上的正弦交變載荷的作用力，計算出托架左右兩端車架

使用進行結構諧響應分析主要采取以下兩種方法：完全法和模態疊加法。在目前版本的中，不支持對結構加入預應力的諧響應分析。本文采用模態疊加法對車廂結構進行諧響應分析。

通過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。托架最大變形量達到9.6 mm，將此受迫變形作為輸入激勵，建立質量M，彈簧K，阻尼C動力學系統進行諧響應分析，輸出在此激勵下，方塊上表面的位移量。添加彈簧元件K=30 N/mm，C=0.03 Ns/mm，由于實際路況路面的激勵多在20 Hz左右，發動機怠速750 r/min 時，相應發動機爆發頻率25～30 Hz，常用車速50～80 km/h 時發動機爆發頻率為48～65 Hz，因此考慮此受迫振動的激勵頻率在20～100 Hz ，設置諧響應的頻率考察范圍為20～100 Hz，其頻率間隔為5 Hz。

使用進行結構諧響應分析主要采取以下兩種方法：完全法和模態疊加法。在目前版本的中，不支持對結構加入預應力的諧響應分析。本文采用模態疊加法對車廂結構進行諧響應分析。

通過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。托架最大變形量達到9.6 mm，將此受迫變形作為輸入激勵，建立質量M，彈簧K，阻尼C動力學系統進行諧響應分析，輸出在此激勵下，方塊上表面的位移量。添加彈簧元件K=30 N/mm，C=0.03 Ns/mm，由于實際路況路面的激勵多在20 Hz左右，發動機怠速750 r/min 時，相應發動機爆發頻率25～30 Hz，常用車速50～80 km/h 時發動機爆發頻率為48～65 Hz，因此考慮此受迫振動的激勵頻率在20～100 Hz ，設置諧響應的頻率考察范圍為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進行諧響應求解。從圖9～11可以看出，方塊部件經過彈簧的緩沖作用，Y向的

施加載荷和邊界條件，如圖8所示。

圖8 系統動力學模型

圖9 諧響應分析位置為示意圖

圖10 諧響應分析采樣頻率

圖11 固定塊上表面變形頻率響應曲線

圖12 應用在生產中的結構圖

選取固定塊上表面模擬操縱艙門進行諧響應求解。從圖9～11可以看出，方塊部件經過彈簧的緩沖作用，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，較改進前的位移量9.6 mm減少了62%，而且當激勵頻率越大，彈簧緩沖作用越明顯。由此可知在系統中添加彈簧很好地解決了由于托架變形導致的操縱艙門位移過大而關不上門的現象。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，較改進前的位移量9.6 mm減少了62%，而且當激勵頻率越大，彈簧緩沖作用越明顯。由此可知在系統中添加彈簧很好地解決了由于托架變形導致的操縱艙門位移過大而關不上門的現象。

6 結語

具體生產時，在操縱艙與托架之間增加T型膠條，既滿足密封要求又美觀，如圖12所示。通過整套保障系統在救援隊的示范應用，此設計達到了預期的效果，提高了裝備對惡[ 5 ] 劣地面條件的適應性，滿足實際應急救援需求，為同類自裝卸托盤化上裝的設計提供了解決方案。