汽车超载的控制

XX大学2012届毕业论文第1页共53页1绪论1.1选题的背景车辆超载是指运输车辆所载的货物质量超过了额定装载质量的情况,车辆超载有着以下主要危害：1.车辆超载会增加车辆对路面的损害，按照国际上通用的计算方法，汽车轴载质量对公路路面的破坏关系服从“十六次方法则”，即汽车轴载质量每增加一倍，公路受损将增加16倍。全国公路每年因车辆超载造成的损失超过300亿元。2.容易引发道路交通事故，汽车超载之后，车辆处于超负荷状态行驶，会导致车辆的制动和操作性等安全性能迅速下降，表现为轮胎变形爆胎、刹车失灵、转向器轻飘抖动、钢板弹簧折断、半轴断裂等等。而在近几年，随着经济的发展和科技的进步，我国现代交通运输业取得了快速发展。与此同时，道路交通事故却频频发生。据统计，在2001年至2010年这10年里，我国已经有近90万人死于各类道路交通事故。在统计的25起特大交通事故中，超载导致的事故为14起，占比56%，是所有事故原因中最多的，并且全国公路每年因车辆超载造成的损失超过300亿元，因此对汽车超载的研究已是刻不容缓。1.2国内外汽车超载研究现状1.2.1国外汽车超载研究20世纪，在国外几乎所有的国家都存在汽车超载运输的现象，据调查美国和德国的货运汽车中汽车超载的数量都在50%左右，而情况稍好的日本也达到20%。为此，20世纪50年代，国外许多国家如美国、韩国、日本等国都在开始研究汽车动态称重系统，想通过利用汽车动态称重技术来避免汽车超载对公路造成早期破坏等，并取得相应的成果。美国约有1000多个动态称重站，采用照相机和路边控制器技术，并与高速公路巡警车中的笔记本计算机相连接，对货车进行检查，可以及时观察数据和鉴别超载车辆的身份。日本广泛使用固定或移动称重设备对超限车辆进行检测。在高速公路收费站设有电子秤测量轴载。大型货车还要安装货物自动测重仪。韩国从1973年7月开始对重车实行重点检查。1994年10月，超限超载车辆过多导致圣水大桥坍塌后，韩国政府进一步加大了治理力度，在全国设立400余XX大学2012届毕业论文第2页共53页个超限超载检测站（点）。图1.1为一种韩国的超载监控系统。车辆通过电子称重设备来检测重量，通过车辆识别系统来识别车辆型号，通过网络中的PC机来判断车辆是否超载，如一旦超载系统将自动对超载的车辆进行照相，以作为惩罚的依据。图1.1韩国超载监控系统许多先进国家都先后采用了超限运输车辆检测与限制（控制）技术，完善管理对策，来解决超限超载问题，并取得了较好的效果。为从根本上遏制超载现象的发生，同时采取了相应措施，主要体现在从源头上杜绝超载现象产生的可能。国外卡车多采用空气弹簧，车辆超载不能行驶。在装卸、搬运的过程中其附属设施已严格地限制了超载超限情况的发生，比如集装箱运输车，由货场的吊车的起重量限制了车辆的载货量；加大监控力度，在路口设置超载检测设备，检测车辆是否超载；制定相应法规，严厉制裁超载相关人员。1.2.2国内汽车超载研究国内在超载检测技术方面起步晚，还处于探索阶段。20世纪80年代出现了带基坑和无基坑的电子汽车衡，其中带基坑的电子汽车衡对道路破坏较大，介绍了主要基于悬臂梁式称重传感器的电子汽车衡。对于治理超载，国内一般还是在道路入口安装称重系统进行静态或动态称重，作为主要手段。如图1.2所示为杭州四方电子衡器厂研制的一种DCS固定式超限检测/计重收费系统。XX大学2012届毕业论文第3页共53页图1.2DCS系统实景图同时，我国也开始引进国外汽车载荷监控方面的技术，如云南航天新技术工程有限公司年与1999年引进了德国PAT载荷监控产品，同年获得了国家级《计量器具型式批准证书》。总体而言，国内对超载控制大多是通过一些相关的政策实现，对超载检测技术研究起步晚、时间也比较短，尽管也对动态称重系统进行了研究，但是研究过程中，对诸多影响汽车动态称重的因素分析不深入，而只是进行了简单的处理，导致检测精度不高。所以目前国内在研究的同时，也积极引进国外关于超载检测的技术，如南京长江二桥上安装的汽车称重系统，该系统就属于典型国外高精度产品，但这类产品开发代价太高，在我国实现推广不切实际，同时还存在超限标准与我国实际情况不一致等问题。1.3本论文主要内容本论文涉及一基于单片机设计的机车超载检测系统，选择载重汽车EQ1090E为研究对象，首先利用Ansys软件对其车架进行受力分析，找出其最大受力处。选择电阻应变式传感器，将应变片安装在车架的最大受力处。然后设计合理的报警系统，该超载报警系统采用80C51单片机作为系统处理的核心，由单稳态触发器、电子开关、声音报警器、闪光灯报警器以及自动上锁装置控制系统电路组成。要求当汽车超载时，报警系统启动，并对汽车的点火系统进行通断控制，使汽车不能正常启动。1.4拟解决的关键问题本系统需要解决的关键问题如下：XX大学2012届毕业论文第4页共53页（1）对车架进行有限元分析，找到其最大受力处。（2）根据量程和使用环境选择合适的传感器，并将传感器安放在车架最大受力处。（3）当车辆在行驶中，不超载的汽车由于路面颠簸而发出错误警报。（4）设计合理的报警系统，并能使汽车在超载情况下不能正常启动。XX大学2012届毕业论文第5页共53页2汽车车架的受力分析汽车车架俗称“大梁”。它是整个汽车的装配基础，其上装有发动机、变速器、传动轴、前后桥、车身等部件。车架的功用是支撑、连接汽车的各部件，使各部件保持相对正确的位置，并承受汽车内外载荷。图1为载重汽车EQ1090E型汽车车架:由两根纵梁和八根横梁铆接而成,又称阶梯形车架。图2.1EQ1090E型汽车车架示意图纵梁通常用16Mn的钢板冲压而成,端面形状一般是槽型。横梁不仅是用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷,而且还可以支撑汽车上主要部件。该汽车载重5t，车架前后等宽，宽度为865mm。纵梁长6700mm，最大剖面尺寸为：235×75×8mm（高×宽×厚）。2.1车架模型建立由于Pro/E强大的建模建模能力及导入到ANSYS中非常容易，所以选择在Pro/E的环境下实体建模。Pro/E能够完成特征建模、参数化设计、零件实体造型及装配造型、完整工程图产生等工作。通过标准数据交换格式，Pro/E可以输出三维或二维图形用于其它应用软件。使用Pro/E配置的开发模块或利用C语言，用户也可以扩展与增强Pro/E的功能。Pro/E的基本功能是：XX大学2012届毕业论文第6页共53页（1）特征建模在Pro/E中，特征是组成模型的基本单位，如：凸台、槽、倒角、腔、壳等特征。模型创建过程就是按照一定顺序以“搭积木”的方式添加各类特征的过程，通过构建不同的特征建立几何模型。（2）参数化设计参数化设计是指设计者只需抓住图形的某一个典型特点绘出图形的大致形状，通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生即可获得需要的图形。（3）支持大型、复杂组合件的设计Pro/E支持大型、复杂组合件的构造和管理，可以利用一些直观的命令，如“啮合”、“插入”、“对齐”等，将基本零件装配起来，形成组合件。（4）整个设计环节的数据完全相关在整个设计过程，Pro/E各个模块共享模型的数据库文件，在产品开发过程中某一处数据修改了，整个设计中的所有相关数据也随之自动修改。载重汽车EQ1090E型汽车车架简化三位实体模型如图2.2所示：图2.2车架的三维实体简易模型XX大学2012届毕业论文第7页共53页2.2车架的ANSYS有限元分析2.2.1有限元法概述有限元是一种把连续的结构分成很多个单元，即利用单元分析的结果来得出结构的整体性能的方法。与传统分析方法相比较，有限元法具有以下特点:(l)不用管分析物体的CAD形状，可以利用有限元多单元进行描述，因此该方法能适合多种多样的工程结构。(2)利用有限元法时，在单元描述材料特性时，可以任意的按照物体的实际情况而定。所以不用考虑各结构之间的影响。(3)在有限元分析时，工程人员可以根据物体的实际载荷与约束情况下，对该物体进行多种工况下的分析，这样大大提高了工程项目的效率，还可以从中发现载荷与约束之间的相互关系。(4)有限元的各种单元用来模拟计算时，这些单元各自的运算公式是一样的，这样在计算时，使模拟计算更加快速，也方便在计算机上统一编程，易于将程序编成模块式结构。(5)有限元分析方法最终的目的是，让工程项目快速的解决，因些有限元分析不能在计算机中模拟计算的太慢。有限元分析软件主要是在50前发展起来的，它们的由来也是因为有限元方法的发展而来的。这些软件可以通过有限元分析，可以很容易计算出结构应力应变值，碰撞值等。这样致使软件公司开发了很多软件，比如:ABAQUS、MARC、SAP、ASKA、ANSYS、NASTRAN、HYPERWORKS等。本设计采用的是ANSYS软件对车架进行有限元分析。2.2.2ANSYS简介ANSYS公司是由美国著名力学专家美国匹兹堡大学力学系教授JohnSwanson博士于1970年创建并发展起来的，是目前世界CAE行业中最大的公司。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、XX大学2012届毕业论文第8页共53页生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。（1）前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。（2）分析计算模块析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。（3）后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。在汽车行业中，ANSYS广泛应用于各大汽车总成，包括车架、车身、车桥、离合器、轮胎、壳体等零部件以及整车的通过性和平顺性的分析，大大提高了汽车的设计水平，正在成为设计计算的强有力工具之一。2.2.3汽车车架受力处理（1）将三位立体模型导入ANSYS软件中，将ANSYS的工作环境设置在国际标准单位制下。根据实际情况，我们选择SOLID92单元作为车架装配体所有零件分网时的单元赋予类型。（2）定义材料属性，车架的材料为16Mn，其弹性模型为2.06×1011Pa，泊松比为0.29，密度为7.85×103Kg/m3，定义材料模型的对话框分别为图2.3和2.4。XX大学2012届毕业论文第9页共53页图2.3定义材料弹性模量和泊松比图2.4定义材料密度（3）使用Overlap命令将车架各零件连接成一个相互联系的整体，使用压缩编号命令选择将所有元素编号压缩。（4）划分网格，车架被离散成一个个连续的单元。XX大学2012届毕业论文第10页共53页（5）求解，选择分析类型，如图2.5所示：图2.5选择的分析类型（6）对车架各处进行位移约束。左侧前钢板弹簧滑板端支架全部约束，右侧前钢板弹簧滑板端支架、前钢板弹簧固定端支架处和后钢板弹簧固定端支架处的节点均为Y方向约束，约束施加后如图2.6所示：XX大学2012届毕业论文第11页共53页图2.6约束后的车架有限元模型（7）施加重力。汽车静止时，车架只承受钢板弹簧以上部分的载荷，它由于车身和车架的自身质量、车架上各总称与附件质量及有效载荷组成，其总和称之为静载荷。（8）施加载荷后求解，绘制位移和应力的节点解，图2.7为节点位移场分布等值线图，图2.8为节点等效应力场分布等值线图。图2.7节点位移场分布等值线图XX大学2012届毕业论文第12页共53页图2.8为节点等效应力场分布等值线图2.2.4车架受力结