一种新型清障“泥头车”的半挂式清障车
静态实拍一汽丰田格瑞维亚作者：李忠生李忠生
来源：《专用汽车》 2011年第12期
    摘要：国内清障车基本是由载货汽车的二类底盘改装而成的，其底盘结构不能完全适应清障车作业，底盘性能未能充分利用。基于ANSYS Workbench软件对清障车底盘进行了有限元计算，分析了制约清障车作业能力的原因，并进行了结构改进。
    关键词：清障车底盘  有限元分析  结构改进
    Abstract The tow truck are refitted from second-class chassis which can not adapt the tow truck working.Based on ANSYS Workbench, Finite Element Analysis for chassis of tow truck finished and structure ofchassis was improved.
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    Key words tow truck chassis; finite element analysis; structure improvement
    中图分类号：U469.79.02文献标识码：A文章编号：1004-0226(2011)12-0070-03
    1前言
    清障车是为保证道路畅通而设计的专用工程车辆。它能够迅速清理道路上的事故、故障和违章车辆，确保道路畅通。随着公路通车里程和机动车数量的增加，道路清障车也得到了快速发展。然而，国产清障车主要采用二类底盘改装，由于二类底盘设计上是以货车满载运输为基准，与清障车托举作业时要求不同，因此，采用二类载货车底盘改装的清障车往往会出现如下情况：清障车底盘车架和托举机构还有潜力，但后轴已超载了。国产清障车的额定托举能力在后轴超载20%的情况下，达不到底盘标定载质量的50%。如3t普通托用式清障车，其额定托举能力在It左右，8t普通托吊式清障车额定托举能力在4t以下，20t双后轴旋转吊式清障车，其额定托举能力只有6t左右。
    本文以某清障车底盘为例，对底盘进行了有限元计算，分析了制约清障车作业能力的原因，并进行了结构改进。
    2底盘有限元模型的建立
    2.1车架实体模型的建立
    建立准确、可靠的计算模型是应用有限元方法进行清障车底盘车架有限元分析的重要步骤之一。ANSYS的CAD/CAE协同环境AWE(ANSYS Workbench Environment)能直接读入各种CAD软件的零件模型，并在其统一环境中实现任意模型的装配和CAE分析。本文在研究过程中采用专业三维软件UG NX6.0建立了底盘模型（如图1），提取底盘车架并处理车架模型（去除小孔、倒圆、缝隙等），存储
为X—T格式导入到ANSYSWorkbench中。鄂尔多斯违章查询
   
    2.2选择材料及网格划分
    底盘车架材料为B510Ll汽车大梁用钢；弹性模量为2xl05MPa，泊松比为0.3，屈服应力为355MPa，屈服极限610MPa。选择车架并为其赋予材料参数。
    网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限分析的关键工作，网格质量的优劣将对计算结果产生相当大的影响。ANSYS Workbench的网格划分是比较智能的，有多种控制方法。本文采用实体单元，用Mesh中的Automatic Method对底盘车架进行网格的划分，共划分成82422个节点，42257个单元，如图2所示。
   
    2.3选择材料及网格划分
    清障车在行驶和作业时，其约束条件十分复杂。因此仅对清障车作业时，其最重要的两个性能指标一一托举能力和起吊能力进行静力学分析。
    由厂家提供的资料可知，该车额定托举质量为6500 kg，最大托举质量为8900kg，额定起吊质量为8000 kg，最大起吊质量为20000kg。整备质量15395kg，底盘质量11420 kg，上装质量3480kg。驾驶室和动力系统总重约7.9t，前端配重0.495t，上装质量均布于后车架上。
    因为对底盘进行静力学分析，故不考虑悬挂和轮胎对车架的影响，取固定悬挂支座作为静力学分析边界条件。
    3有限元计算分析
    结构静力分析的目的是根据有限元分析的结果对车架强度和刚度进行评价，车架材料屈服极限为610MPa，即车架受到的最大应力应小于610MPa，而车架最大弯曲度通常应小于10mm。
    3.1最大托举时有限元计算分析
    通过ANSYS Workbench的Staic structural分析模块对清障车底盘车架进行静载求解，获得清障车底盘车架在最大托举质量8900kg时车架变形及应力云图如图3、4所示。
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450    从变形位移图和等效应力图可以看出，最大变形出现在托举机构末端，其最大值为7.778mm；最大等效应力出现在推举油缸上，其最大值为72.656MPa。从底盘变形位移云图上看，底盘变形主要出现在托举机构上，整个车架几乎无变形。从底盘等效应力云图看，除最大主应力出现在油缸之外，其余应力值一般在25～60MPa之间，且基本分布在上装上，车架前端支撑处也有部分地方应力值达到30MPa。由此可知在最大托举质量时，底盘本身还有较大的承载潜力。
    3.2最大起吊时有限元计算分析
    通过ANSYS Workbench的Staic structural分析模块对清障车底盘车架进行静载求解，获得清障车底盘车架在最大起吊质量20 000 kg时车架变形及应力云图，如图5、6所示。
   
   
    从变形位移图和等效应力图可以看出，最大变形出现在起吊机构末端，其最大值为11.093mm；最大等效应力出现在推举油缸上，其最大值为138.77MPa。从底盘变形位移云图上看，底盘变形主要出现在起吊机构上，整个车架几乎无变形。从底盘等效应力云图看，除最大主应力出现在油缸之外，其
余应力值一般在90～110MPa之间，且基本分布在上装上，车架前端支撑和后桥支撑处也有部分地方应力值达到100MPa左右。
    综上可知，两种极限情况下清障车底盘不论是车架还是上装作业能力都有一定的盈余。制约清障车作业能力的主要原因是后桥和后悬挂的承载能力有限，如本文的研究对象，该底盘后桥最大承载量为17.5t，当托举最大质量8.9t时，后桥实际载荷已达到16.44t，已接近后桥承载极限。故清障车底盘的性能未能充分利用。
    4底盘结构改进
    4.1清障车作业力学分析
    根据《清障车》新标准QC/T 645-2005中40.1.3规定“清障车在托牵状态下，前轴轴荷大于或等于最大总质量的15%”。
清风车影网    按前轴条件计算清障车最大托举质量时，设托举载荷为W1，前轴载荷将减少W1min/L。令后悬距系数n=Rmin/L，则前轴载荷减少nW1，则有GD1-nW1≥(GD1+W1) X15%。即此条件下的最大托举质量Wmin为：
    W1max=(GO1- 0.15Go)/(0.15+n)  (1)
    按后轴条件“后轴轴荷不得超过其允许载荷的20%”，则此条件下的最大托举质量W2max为：
    W2max=(1.2 [G12]-G02)／(1+n)  (2)式中，G01、G02分别为空载时前、后轴负荷，G0为整车整备质量，[G12]为后轴允许负荷。
    取Wimax和W2max的最小值作为最大托举质量值Wmmax。
    4.2提高后桥、后悬挂承重能力
    既然在两种极限工况下清障车底盘性能有盈余，在不改变车架结构的情况下，提高后桥和后悬挂的强度则能直接提高清障车的作业能力（前悬需加配重）。将本文研究对象的数据带入(1)、(2)式计算：
    W1max=(8.586 5-0.15 x14.9)/(0.15+3250/6200)=9.3095t
    W2max=(l.2 x17.5-6.808 5)/(1+3250/6200)=9.3107t
    由上可知，该清障车最大托举质量应为9.309 5 t，略大于该车最大托举质量8.9 t。若将底盘后桥和后悬挂承载能力提高40%，即25t，前端配重对应增加2t。再带入(1)、(2)式得：W1max=13.09t；W2max=15.68t。此时，清障车最大托举质量为13.09t，较之前的9.3095t增加3.7805t，托举能力提升40%。此时底盘托举有限元结果如图8、9所示。