专用挂车起步性能优化

张全逾，曼茂立，丰烨，崔硕

(承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德067000)

专用挂车起步性能优化

张全逾，曼茂立，丰烨，崔硕

(承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德067000)

运用CATIA软件建立了一种专用挂车的三维模型，导入到ADAMS软件中，建立了模型各个部件的约束关系，并计算了挂车以15 km/h起步时牵引杆受牵引车牵引产生的水平振动加速度。针对原牵引杆结构造成牵引冲击过大的缺陷，设计了碟形弹簧的缓冲机构，对牵引杆的结构进行优化，仿真并验证了缓冲机构的可行性，最终将牵引杆起步产生的水平振动降低了26%，优化了挂车的起步性能，提高了牵引杆的疲劳寿命。关键词:专用挂车;ADAMS软件;牵引杆;牵引冲击;起步性能

半挂车均是通过牵引销由牵引车的牵引座连接而进行牵引的，目前对牵引销及牵引座的振动冲击和疲劳分析已经比较成熟和完善。专用挂车由于其结构和功能的特殊性，往往是由牵引车通过牵引杆来进行牵引的［1］，这种牵引方式在起步时将产生较大的冲击，因此要对牵引杆的结构进行特殊设计，优化其起步性能。挂车的起步性能优劣直接影响到运输货物的安全与完整性，成为影响车辆性能的一项重要指标［2-5］。同时，车辆起步时，牵引车会对挂车的牵引杆造成较大的冲击，影响车辆的行驶性能并降低牵引杆的疲劳寿命，需要对其进行结构优化。传统的试验方法是使汽车在实际的路面上行驶，利用传感器和数据采集系统采集汽车所测部位的振动加速度信号。这样得到的振动冲击大小必然受到路面不平度的影响，使得测量结果不具备重复性，同时试验过程费时费力。随着计算机技术的发展，采用仿真软件来模拟试验的方法得到了极大的发展，通过随机数据加载，自动记录和数据采集处理，能准确模拟车辆的使用工况，大大提高了试验的精度，节省了实际测试的工作量，使得优化过程变得快捷和容易。

1　虚拟样机模型的建立

首先运用CATIA软件建立专用挂车的装配模型。将建立好的模型导入ADAMS/View软件中得到如图1所示虚拟样机模型。

导入到ADAMS/View中的挂车模型，是任意自由度的模型，为保证机构运动的确定性以及真实性，需要根据实际情况施加边界条件和驱动以及进行约束。对于像挂车样机模型这样的零部件数量比较多的模型，并不是每个零部件都参与其行驶运动，所以在不影响仿真结果的前提下，可以对没有相对运动的零部件之间添加固定副［6］。依据挂车行驶过程各部件之间的运动关系，对样机模型添加约束和驱动，共添加旋转副8个、固定副43个、驱动副1个。

2　挂车起步性能仿真及优化

挂车由牵引车牵引进行拖运，当牵引车起步时，牵引力通过连接销传递给挂车，给拉杆带来较大的牵引力，在拉力方向对挂车产生较大冲击，使牵引杆的使用寿命造成较大的影响，降低其疲劳强度，造成安全隐患。给模型施加约束和运动副后，设置仿真时间和步长使汽车在一定车速下匀速行驶，进行仿真，由于该挂车的额定车速为20 km/h，这里将仿真车速设为15 km/h。图2为挂车以15 km/h起步时，挂车牵引杆受牵引拉力产生的振动加速度图。

从图2可以看到，当挂车以15 km/h的速度起步时，挂车受到水平方向的加速度迅速增加到2 376 mm/s2并产生剧烈震荡形成很大冲击。为了降低牵引车对挂车牵引杆的冲击作用，需要对挂车牵引杆设计减振装置，增加其起步时间，降低起步瞬间的冲击力。

为了增加起步时间、降低起步冲击，对牵引杆的结构进行了优化，图3为原牵引杆的结构示意图，牵引杆与连接杆通过螺纹刚性联接。重新设计的牵引杆结构如图4所示。牵引杆与连接杆通过缓冲装置连接，缓冲装置由两片对置的碟形弹簧组成，左碟形弹簧的小端由轴套限位，大端由连接套限位，右碟形弹簧大端靠在连接套上，小端安装在连接杆的环槽内，而轴套嵌套在连接杆上，连接套左端和牵引杆之间采用螺纹连接。其工作原理为:当有来自左侧的冲击时，轴套压缩左边碟形弹簧，起到缓冲的作用，而右侧产生冲击时，连接杆的右侧凸肩压缩右碟形弹簧进行缓冲。

碟形弹簧截面呈浅圆锥形，其特点是具有较小的几何尺寸、较大的承载能力、很强的缓冲减震性能，广泛应用于减震器等设备中。虽然碟形弹簧属于非线性弹簧，但在最大变形范围内其载荷与位移的关系可以近似采用直线进行拟合，这为在ADAMS软件中进行仿真提供了方便，故在ADAMS中可以采用普通螺旋弹簧来代替碟形弹簧进行模拟计算。在国标中对碟形弹簧的规格进行了明确规定，此结构选用的碟形弹簧参数如表1所示。

表1　选用的碟形弹簧参数表

安装缓冲器后重新仿真计算起步时牵引杆在水平方向受到的振动加速度，并与结构优化前的结果进行对比，其结果如图5所示。

挂车牵引杆在水平方向的加速度在安装缓冲器后变为1 750 mm/s2，减小了26%，表明挂车所受到的水平冲击减小，同时在时间上也可以看出挂车达到稳定车速的时间由优化前的4．5 s变为5．5 s，增加了牵引杆与连接杆通的传力时间，使得挂车所受的冲击减小，提高了其疲劳寿命。

3　结论

专用挂车由于其结构和功能的特殊性，牵引车采用了牵引杆进行牵引，这种牵引方式在起步时产生了较大的冲击。通过采用ADAMS软件建立了挂车系统的虚拟样机模型，仿真计算了挂车在15 km/h起步时牵引杆受到水平方向的振动冲击大小。为了减小冲击，提高牵引杆的疲劳寿命，设计了采用碟形弹簧的缓冲机构，并仿真验证了缓冲机构的可行性，最终将振动冲击降低了26%，大大提高了挂车的起步性能，达到了预期的效果。

［1］罗灯明，司鹏鹍，梅彦利．组合式全挂车液压系统设计［J］．承德石油高等专科学校学报，2000，2(3):10－11．

［2］余志生．汽车理论［M］．北京:机械工业出版社，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］郑建荣．ADAMS—虚拟样机技术入门与提高［M］．北京:机械工业出版社，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

张全逾(1980－)，男，四川资中人，承德石油高等专科学校汽车工程系讲师，硕士，主要从事汽车方面的教学研究工作。