应急复杂路况条件自装卸车辆上装适应性设计

段馨蕊 季晓亮 石凯飞 马明波

北京三兴汽车有限公司 北京 100070

1 前言

以整体自装卸车为平台，搭载不同的功能上装模块实现多种作业，已成为系统化快速运输、装卸、作业保障的趋势。传统自装卸车辆以环卫领域应用为主，主要用于垃圾箱的自装卸和自倾卸，应用环境主要是城市等级道路，对车辆的适应性要求较低，不太适应复杂的路况。

为了降低自装卸车辆上装功能模块在复杂路况下的振动影响，在自装卸车辆的设计过程中需要充分考虑地面适应性，针对以上问题，以自装卸上装托架设计为例介绍了一种柔性设计方案，通过有限元分析和试验验证表明，该设计方案有效地解决了自装卸上装托架的操纵舱门等活动部件密封不严，甚至操纵舱门无法关闭的问题。

2 自装卸上装设计

用于应急救援保障的一些自装卸车以托盘式上装为主要运载方式。以笔者设计的自装卸油罐托盘为例，该上装由自装卸托架总成、罐体总成和加油舱总成组成。考虑整车承载性和轴荷分配，将油罐托盘的加油舱设置在自装卸托架后部，考虑其轻量化设计，加油舱总成和油罐总成采用铝合金组焊形式。加油舱舱体三侧开门，整个舱体与托架采用螺栓连接。简要结构示意图如图1所示。自装卸作业时油罐托盘通过托架总成后部的两个滚轮与地面滚动接触，运动行程示意图如图2所示。

图1 自装卸油罐托盘简要结构示意图

图2 自装卸作业车厢运动行程图

在油罐托盘起吊过程中，如遇到崎岖不平的路况时，会因路面不平造成托架尾部的两个滚轮发生相对于车中轴线的相对扭转，导致托架出现一个滚轮悬空一个滚轮触地的状况，由于重力的作用导致托架左右两端车架受到相对扭转的作用，使得后部一侧产生相对于另一侧发生较大的相对位移，这对操纵舱非常不利，尤其是操纵舱门等活动部件，两端舱门会发生相对错动。当相对错动位移较大时，常常会出现舱门密封不严，甚至由于操纵舱舱门的门闩与门插孔发生相对错位而导致门关不上。

3 操纵舱门的刚度校核

3.1 模型与网格划分

在确定车架实体模型时，对关注部件的受力影响不大的小零件省略，对于关注部位采用网格质量较高的六面体网格划分方法，对于其他部位采用四面体网格划分。划分网格如图3所示，共193 903个节点，75 209个单元。单元质量指数均值大于0.7。

3.2 受力分析

图3 有限元分析划分网格图

托架受到的载荷的作用：在水平位置时，托架受到载荷的重力作用只有法向向量，随着起吊的缓慢进行，托架与地面成θ角，并逐渐增大，载荷对托架的作用力分为切向和法向两个作用力。法向力逐渐减小，切向力逐渐增加。对托架施加不同方向的弯曲作用。Workbench瞬态分析中将载荷表示成随时间time变化的函数。车厢支撑轮受力模型如图4所示。

根据托架提升角度公式：

式中，θ为托架提升角度。

式中，F1(t)为重力托架垂直分量；G为重力；ω为托架提升角速度；F2(t)为重力托架水平分量。

图4 车厢支撑轮受力模型

在运行过程中，对一端滚轮和吊钩位置固定。托架受动载荷。按照油罐托盘的载荷对托架加载载荷，如图5所示。图5中BCDEFG代表托架实际工作时布置于不同位置的载荷对托架施加的均布面载荷，其中DG代表工具箱对托架的两个方向的载荷，CF代表油罐总成对托架的两个方向的载荷，BE代表操纵舱总成对托架的两个方向的载荷。具体由下列公式求出：

图5 车厢底架边界条件图

通过软件的模拟计算，可以看到在起吊起始点到终止点过程中托架尾部的最大变形量为9.6 mm，发生在起始位置，如图6所示。由于开始时垂直载荷最大导致Y向变形最大，随着起吊角度的增加，垂直载荷逐渐减少，切向载荷逐渐增加，所以Z向变形逐渐加大。

图6 改进前有限元谐响应图

4 改进设计

在实际的自装卸起吊过程中，由于地面不平导致一侧后滚轮的实际受力形式处于不断变化中，考虑到自装卸托盘的作业方式，根据设计经验，如果采用刚度加强方案，需要增加较多质量，很难完全消除复杂地面作业时托架尾部的变形，所以只能考虑使托架的变形不传递到操纵舱。这就需要设计连接方式，采用传统硬连接方式，会使与其连接的操纵舱也随之变形，导致的舱门密封和闭合出现问题，所以需要进行柔性连接，在操纵舱与托架之间增加弹簧，安装时有一定的预紧力，在平路面进行自装卸作业时相对固定，而在不平路面作业时，通过压缩弹簧减小操纵舱的受力，进而大幅减小变形量，具体设计如图7所示。

具体工作原理为：在操作仓和托架上钻孔布置螺钉，在螺钉伸出托架的部分套上弹簧座其上布置弹簧，弹簧另一端使用弹簧压板进行限位，弹簧压板上部与螺母共同被

在实际的自装卸起吊过程中，由于地面不平导致一侧后滚轮的实际受力形式处于不断变化中，考虑到自装卸托盘的作业方式，根据设计经验，如果采用刚度加强方案，需要增加较多质量，很难完全消除复杂地面作业时托架尾部的变形，所以只能考虑使托架的变形不传递到操纵舱。这就需要设计连接方式，采用传统硬连接方式，会使与其连接的操纵舱也随之变形，导致的舱门密封和闭合出现问题，所以需要进行柔性连接，在操纵舱与托架之间增加弹簧，安装时有一定的预紧力，在平路面进行自装卸作业时相对固定，而在不平路面作业时，通过压缩弹簧减小操纵舱的受力，进而大幅减小变形量，具体设计如图7所示。

图7 减振结构设计图

具体工作原理为：在操作仓和托架上钻孔布置螺钉，在螺钉伸出托架的部分套上弹簧座其上布置弹簧，弹簧另一端使用弹簧压板进行限位，弹簧压板上部与螺母共同被销子固定在螺钉上。这样在托架在上下振动时，振动波经过弹簧的减振方才传入操作仓一侧。此机构实现了操作仓与托架之间的减振隔振作用。销子固定在螺钉上。这样在托架在上下振动时，振动波经过弹簧的减振方才传入操作仓一侧。此机构实现了操作仓与托架之间的减振隔振作用。

5 设计验证

托架在受到扭转作用时，将托架动力学模型的边界条件简化为托架尾部的一个滚轮固定，另一个滚轮输入竖直向上的正弦交变载荷的作用力，计算出托架左右两端车架的相对变形量大小从而揭示托架尾部舱门位置相对错动位移大小随着路面不平度变化的规律。

谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦[3]（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应，通过谐响应分析，可以得到结构在一些频率下的响应值和频率的关系曲线图，分析响应曲线能够了解结构的持续性动力特性。进行谐响应分析时，可采用完全法，模态叠加法以及缩减法[4]对有限元方程进行求解。

托架在受到扭转作用时，将托架动力学模型的边界条件简化为托架尾部的一个滚轮固定，另一个滚轮输入竖直向上的正弦交变载荷的作用力，计算出托架左右两端车架

使用进行结构谐响应分析主要采取以下两种方法：完全法和模态叠加法。在目前版本的中，不支持对结构加入预应力的谐响应分析。本文采用模态叠加法对车厢结构进行谐响应分析。

通过Ansys workbench有限元仿真，用方块模拟操纵舱，方块与托架之间施加弹簧。托架最大变形量达到9.6 mm，将此受迫变形作为输入激励，建立质量M，弹簧K，阻尼C动力学系统进行谐响应分析，输出在此激励下，方块上表面的位移量。添加弹簧元件K=30 N/mm，C=0.03 Ns/mm，由于实际路况路面的激励多在20 Hz左右，发动机怠速750 r/min 时，相应发动机爆发频率25～30 Hz，常用车速50～80 km/h 时发动机爆发频率为48～65 Hz，因此考虑此受迫振动的激励频率在20～100 Hz ，设置谐响应的频率考察范围为20～100 Hz，其频率间隔为5 Hz。

使用进行结构谐响应分析主要采取以下两种方法：完全法和模态叠加法。在目前版本的中，不支持对结构加入预应力的谐响应分析。本文采用模态叠加法对车厢结构进行谐响应分析。

通过Ansys workbench有限元仿真，用方块模拟操纵舱，方块与托架之间施加弹簧。托架最大变形量达到9.6 mm，将此受迫变形作为输入激励，建立质量M，弹簧K，阻尼C动力学系统进行谐响应分析，输出在此激励下，方块上表面的位移量。添加弹簧元件K=30 N/mm，C=0.03 Ns/mm，由于实际路况路面的激励多在20 Hz左右，发动机怠速750 r/min 时，相应发动机爆发频率25～30 Hz，常用车速50～80 km/h 时发动机爆发频率为48～65 Hz，因此考虑此受迫振动的激励频率在20～100 Hz ，设置谐响应的频率考察范围为20～100 Hz，其频率间隔为5 Hz。

施加载荷和边界条件，如图8所示。

选取固定块上表面模拟操纵舱门进行谐响应求解。从图9～11可以看出，方块部件经过弹簧的缓冲作用，Y向的

施加载荷和边界条件，如图8所示。

图8 系统动力学模型

图9 谐响应分析位置为示意图

图10 谐响应分析采样频率

图11 固定块上表面变形频率响应曲线

图12 应用在生产中的结构图

选取固定块上表面模拟操纵舱门进行谐响应求解。从图9～11可以看出，方块部件经过弹簧的缓冲作用，Y向的位移量明显减小，在频率考察范围20～100 Hz之间，Y向的位移量最大值仅为3.66 mm，较改进前的位移量9.6 mm减少了62%，而且当激励频率越大，弹簧缓冲作用越明显。由此可知在系统中添加弹簧很好地解决了由于托架变形导致的操纵舱门位移过大而关不上门的现象。位移量明显减小，在频率考察范围20～100 Hz之间，Y向的位移量最大值仅为3.66 mm，较改进前的位移量9.6 mm减少了62%，而且当激励频率越大，弹簧缓冲作用越明显。由此可知在系统中添加弹簧很好地解决了由于托架变形导致的操纵舱门位移过大而关不上门的现象。

6 结语

具体生产时，在操纵舱与托架之间增加T型胶条，既满足密封要求又美观，如图12所示。通过整套保障系统在救援队的示范应用，此设计达到了预期的效果，提高了装备对恶[ 5 ] 劣地面条件的适应性，满足实际应急救援需求，为同类自装卸托盘化上装的设计提供了解决方案。