（机械电子工程专业论文）车辆货物约束系统侧翻力学特性的研究.pdf

摘要 随着货物运输量的增加，各国对货车运输安全性的要求越来越高，对货物 捆绑器的要求也就日益增强。然而目前国内还没有捆绑器的使用规范，这将严 重阻碍捆绑器的普及。要制定捆绑器的使用规范，首先要分析载货车辆发生事 故时捆绑器的受力。侧翻事故为货车各种事故中的一种，其发生频率较高，危 害严重，因此本文研究捆绑器在货车侧翻事故中的受力情况，分析货物不发生 散包时所需捆绑器的数量，为我国制定捆绑器的使用标准提供依据。 本文将车辆、货物和约束装置构成一个系统，选用叩1 1 5 6 w3 型载货汽 车为研究对象，根据货物的质量和美国标准公式选用2 个t d5 0 b 型捆绑器作为 货物的约束装置，建立了车辆一货物一约束系统的物理模型。利用侧向加速度作 为车辆一货物一约束系统的侧翻指标，计算了刚体车辆一货物一约束系统的侧翻临 界值，以便能通过较少的参数衡量载货车辆的抗侧翻性能，最终得出侧翻临界 值与载货车辆重心高度的关系。在分析刚体车辆的基础之上，同时考虑轮胎及 悬架对车辆侧翻的影响，建立了悬挂车辆一货物一约束系统的数学模型，进而得 到其侧翻临界值。根据悬挂车辆的侧翻临界值，建立货物一捆绑器模型，理论分 析了货物不发生散包时所需捆绑器的数量。 为了得出载货车辆侧翻过程中捆绑器的受力，本文分两个步骤建立了车辆一 货物一约束系统的侧翻模型。步骤一是当内侧车轮未离开路面，轮胎与悬架发生 侧倾，侧倾角从o 。至1 1 6 。之间变化时建立该系统的平面五自由度侧倾模型， 用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真分析，得出捆绑器的最大伸长量，进而得出其最大 受力；步骤二是当内侧车轮离开路面，侧翻角在1 1 6 。至9 0 。之间变化时建立 该系统平面六自由度的侧翻模型，用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真分析，得出捆绑 器的最大伸长量，进而得出其最大受力，判断该值是否大于捆绑器的极限工作 载荷，仿真分析了货物不发生散包时所需捆绑器的数量。 根据以上理论分析和软件仿真，得出了货车发生侧翻事故而货物不发生散 包时所需捆绑器的数量，借鉴美国标准公式，建立了满足货车侧翻要求的捆绑 器选用公式。 关键词：车辆侧翻，捆绑器，货物安全性 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei nv o l u m eo fc a r g o ，l o t so fc o u n t r i e sh a v et a k e nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt ot h es a f e t yo fr o a dt r a n s p o r t ，s ot h er e q u i r e m e n to ft i ed o w ni sm o r ea n d m o r es t r i c t e r b u ti no u rc o u n t r yt h e r ea r en o to p e r a t i o ns p e c i f i c a t i o no ft i ed o w n ，i t w o u l de m b a r r a s st h ea p p l i c a t i o no ft i ed o w n b e f o r ey o ui n s t i t u t et h eo p e r a t i o n s p e c i f i c a t i o n ，y o um u s ta n a l y s et h ep r o p e r t yo ft h et i ed o w nw h e nt r u c ka c c i d e n t s h a p p e n r o l l o v e ra c c i d e n ti so n eo ft h et r u c ka c c i d e n t s ，i ti se s p e c i a l l yv i o l e n ta n d c a u s eg r e a t e rd a m a g ea n di n j u r yt h a no t h e ra c c i d e n t ，s ot h i sp a p e ra n a l y s et h ep r o p e r t y o ft h et i ed o w nw h e nr o l l o v e ra c c i d e n th a p p e n s ，e d u c et h em i n i m u mn u m b e ro ft i e d o w nt op r e v e n tc a r g oa p a r tf r o mt r u c k ，p r o v i d et h ef o u n d a t i o nt oi n s t i t u t eo p e r a t i o n s p e c i f i c a t i o n sp a p e rs e tu pas y s t e mw h i c hi sm a d eo ft r u c k ，c a r g oa n dt i ed o w n t ou p b u i l d t h ep h y s i c sm o d e lo ft h es y s t e m t h i sp a p e rs e l e c te q l15 6 w 3t r u c ka n dt w ot d 5 0 b t i ed o w n si na c c o r d a n c et ot h em a s so ft h ec a r g oa n dt h ea m e r i c a ns t a n d a r da st h e r e s e a r c ho b j e c t u s el a t e r a la c c e l e r a t i o na sv e h i c l e c a r g o t i ed o w ns y s t e mr o l l o v e r i n d e x ，a n dc a l c u l a t et h er o l l o v e rt h r e s h o l d i no r d e rt oe v a l u a t et h ev e h i c l er o l l o v e r p e r f o r m a n c e b y l e s s p a r a m e t e r s c o n s t i t u t e m a t h e m a t i cm o d e lo f r i g i d v e h i c l e c a r g o - t i ed o w ns y s t e m t h e ng e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a s so fc a r g o a n dr o l l o v e r t h r e s h o l d b a s e do na b o v ea n a l y s i s ，c o n s t i t u t em a t h e m a t i cm o d e lo f s u s p e n d e dv e h i c l e - c a r g o - t i ed o w ns y s t e mt og e tt h er o l l o v e rt h r e s h o l d a n dt h e n c o n s t i t u t em e c h a n i c a lm o d e lo fc a r g o - v e h i c l e ，g e tt h em i n i m u l ln u m b e ro ft i ed o w n s t op r e v e n tc a r g oa p a r tf r o mv e h i c l e t oa n a l y s et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft i ed o w n sd u r i n gt h ev e h i c l e r o l l o v e r , t h i sp a p e r t a k e st w o s t 印s t oc o n s t i t u t e t h er o l l o v e rm o d e lo f v e h i c l e c a r g o - r e s t r a i n ts y s t e m f i r s t l y , w h e nt h ei n s i d ew h e e ld o e sn o tl e a v et h e r o a d ，t h er o l la n g l ei sr a n g e df r o m0 0t o1 1 6 0 b u i l dt h ef i v e - f r e e d o md y n a m i cm o d e l o ft h es y s t e m ，s i m u l a t ei tb ym a t l a b s i m u l i n kt oo b t a i nt h em a x i m u m e l o n g a t i o no ft h e t i ed o w n ；s e c o n d l y , w h e nt h ei n s i d ew h e e ll e a v e st h er o a d ，t h er o l la n g l ei sr a n g e df r o m 1 1 6 0 t o9 0 0 , b u i l dt h es i x f r e e d o md y n a m i cm o d e lo ft h es y s t e m ，s i m u l a t ei tb v m a t l a b s i m u l i n kt oo b t a i nt h em a x i m u me l o n g a t i o no ft h et i ed o w n b a s e do na b o v e s i m u l a t i o n s ，e s t a b l i s hw e a t h e rt h et i ed o w n sm e e tt h er e q u i r e m e n t ，g e tt h em i n i m a n n u m b e ro ft i ed o w n st op r e v e n tc a r g oa 1 ) a nf r o mv e h i c l e b a s e do na b o v ec a l c u l a t i o n sa n ds i m u l a t i o n s ，g e tt h em i n i m u nn u m b e ro ft i e d o w n st op r e v e n tc a r g oa p a r tf r o mv e h i c l ew h e nv e h i c l er o l l o v e ra c c i d e n t h a p p e n s a c c o r d i n gt ot h ea m e r i c a ns t a n d a r d s e tu pan e wf o r m u l au s e df o ro p e r a t i o n o f t i ed o w n k e yw o r d s ：v e h i c l er o l l o v e r , t i ed o w n ，s a f e t y i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：速：童日期：塑! ! ：坐 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：谴一乏导师( 签名墟醐加f d tr 2 严 研究生( 签名) ：矗一t 导师( 签名谚，砸日期加f d 。r 仁 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景与意义 据国家交通运输部门统计，全球高速公路里程超过2 3 万公里，中国高速公 路总里程数超过5 6 万公里，居世界第二，中国汽车保有量超过4 6 0 0 万辆，其 中货运车辆大约有1 6 0 0 万辆，到2 0 1 2 年中国公路货运量将达2 0 0 亿吨【l 】。与此 同时，对货车运输的安全性的要求越来越高，对货车运输捆绑安全装备的需求 也就日益增强。 目前大部分载货车辆还是采用传统货物捆绑工具，如麻绳、尼龙绳等，如 图1 - 1 所示。而这些传统应用的绳索有如下缺点：( 1 ) 一根长绳，人工加力， 捆绑张力不够，难以捆紧；( 2 ) 抱绳没有上浆，耐磨性很差，使用寿命很短；( 3 ) 用抱绳捆绑货物，捆绑所需时间长；( 4 ) 抱绳的形状为圆形，与货物接触是一 条线，容易损坏货物。正是由于这些缺点，当载货车辆发生各种危险和事故的 情况下，绳索容易发生失效，以至于货物发生散包，轻者造成货物损毁，重者 造成道路堵塞、撞车等交通安全事故，使很多局部的小事故演变成危害严重的 大事故，如图卜2 所示的事故现场图，一辆装载水泥板的大货车因固定水泥板 的绳索失效，车上三块水泥板突然滑落，压在货车右侧一辆小轿车棚顶，轿车 顶部被严重压塌，车内5 名乘员受伤【2 】。为了避免类似的事故，现代货物捆绑器 械( 以下简称捆绑器) 将逐渐替代传统的绳索，逐渐成为传统绳索的替代品。 然而目前国内还没有捆绑器的使用规范，这将严重阻碍捆绑器的普及。要 制定捆绑器的使用规范，首先要分析载货车辆发生事故时捆绑器的受力。侧翻 事故为载货车辆各种事故中的一种，其发生频率较高，危害严重，因此本文研 究捆绑器在载货车辆侧翻事故中的受力情况，在使用捆绑器前如实的分析该捆 绑器在载货车辆侧翻时是否发生失效，如果失效，就对其进行改进，即使载货 车辆发生侧翻事故，也要保证货物不会散包，这样可使得载货车辆侧翻所造成 的损害降低到最小。本文研究结论可以为我国制定货物运输安全法规和专业约 束器械使用标准提供依据。 武汉理工太学硕士学位论文 图1 - 1 传统的货物捆绑工具 1 2 本文研究的现状 图卜2 事故现场图 目前国内外对载货车辆侧翻和约束工具的研究甚少，而将车辆货物一约束系 统联系在一起的研究在国内外至今空白。国内外关于非载货车辆的佣翻研究较 多，如影响汽车侧翻的悬架因素分析嗍、客车侧翻碰撞加速度评价的研究h 、汽 车侧翻及稳定性分析嘲、轿车与商用车侧翻研究卅 等，其对载货车辆的侧翻研 究具有一定借鉴意义。下面分别阐述车辆侧翻与货物约束工具的研究现状。 1 2 1 车辆侧翻的研究现状 在车辆可能经历的所有动态操纵中，侧翻是对车辆货物最严重、最危险的一 武汉理工大学硕士学位论文 种。侧翻的定义为：在某种操纵下，能够使车辆绕其纵轴( 通过车辆重心，与 车辆前进方向相同的轴) 旋转9 0 0 或9 0 0 以上，使车体与地面相接触。侧翻可能 是由一种或多种因素共同导致的。即便是在水平的路面上，当车辆的侧向加速 度的大小超过轮胎侧向重量转移所能补偿的极限时，车辆就有可能发生侧翻。 而路面的横向斜坡以及来自路缘的冲击、软地或其他可能“绊倒”车辆的障碍 物都有可能造成侧翻【l o 】。 汽车的侧倾稳定性越来越受到人们的重视，世界各国已相继开始对汽车侧倾 稳定性进行研究。在国外，通常用三种方法来进行研究：( 1 ) 静态稳定因子法 ( 鼹f ) ，其基本原理是当车辆的质心高度被测定后，则s s f = 耽h ，l 为半轮距， h 为质心高度，其含义是，把车辆视作一刚体，当车辆重力作用线正好移到车辆 低侧端车轮与地面接触点时，通过车辆半轮距与质心高度的比值来评价其侧倾 稳定性：( 2 ) 侧拉比例系数法( 艘尺) ，其基本原理是，先测定车辆的质心位置，将 一水平横向力作用于车辆的质心位置，并逐渐加大水平横向力，直至车辆内侧 轮胎刚刚脱离地面为止，此时就可通过s p r = f w ( 侧拉力与车辆质量之比) 来 评价车辆的侧倾稳定性：( 3 ) 侧倾比例系数法( 刀r ) ，其基本原理是，车辆放置在 侧倾试验台上，并随该侧倾试验台一起侧翻，直至车辆高侧端轮胎刚刚脱离台 面为止，此时即可通过t t r = t a np ( 车辆侧翻角的正切值) 来评价车辆的侧倾稳 定性，这种方法与车辆的实际状况最接近【l 们。自上世纪八十年代末开始，美国 建造了用于轻型车的侧拉比例系数法装置，之后又建造了大型的侧倾比例系数 法试验台，随之英国、美国v r t c 与其它国家也相应研制了用于轻型车的侧倾比 例系数法装置。 在国内，汽车侧翻试验有相应的标准g b t1 4 17 2 9 3 ，此标准规定了汽车静 侧翻稳定性试验测量仪设备、试验条件和试验方法。其试验方法慰1 1 】：( 1 ) 将 汽车置于试验台上，试验台的倾斜角能在零度与最大侧翻角之间连续调节，并 能在任意角度固定，其运转平稳，上升速度不大于1 0 。砌伽，下降速度不大于 2 7 。m i n 。汽车的纵向对称平面与试验台面转动中心线平行度不低于g b11 8 4 中 规定的1 2 级；( 2 ) 实施驻车制动，安装防侧滑挡块及放侧翻安全设备；( 3 ) 启 动试验台，使汽车向左慢慢倾斜，试验台面倾斜角每增加5 0 测量一次车轮负荷， 在达到最大侧翻稳定角前5 0 起，则每隔1 0 测量一次车轮负荷，直到汽车右侧所 有车轮支撑平面法向反力为零为止；( 4 ) 启动试验台，使试验台面倾斜角恢复 为0 0 ；( 5 ) 重复( 3 ) 、( 4 ) 试验，试验进行三次，三次测量值相对误差若超过 武汉理工大学硕士学位论文 3 应重新测试。此侧翻试验是通过车轮负荷计得出高侧车轮支撑平面法向应力 为零或通过观察高侧端车轮刚刚脱离地面来得到最大侧翻稳定角。同时也可利 用现有的装置上的四个质量传感器的读数加之相关的几何参数，通过对装置试 验台面( 或车辆) 的受力分析，导出高侧法向力的计算公式，与高侧法向力等于 零时相对应的侧翻角即为该车辆的最大侧翻稳定角。利用现有的计算机测量系 统，每隔l 。侧翻角采集一次数据，即可得到高侧法向力与试验台倾斜角的关 系。 近年来，由于汽车侧翻引起的交通事故频频发生，越来越多的企业意识到侧 翻研究的重要性。国内部分汽车企业对汽车进行了相应的侧翻试验。在一汽技 术中心碰撞试验室，奔腾轿车采用了美国f m v s s 2 0 8 中介绍的试验方法平 台翻车进行滚翻试验，试验之前，车辆被固定在一个倾斜度为2 3 度的楔形运载 平台上。试验开始后，这个运载装置通过地下的钢索牵引，通过1 4 0 米的距离 后冲向索轨尽头。在这段距离中，运载平台先是在1 0 秒左右的时间内由o b n h 加速到5 0 k m h ，之后开始匀速平移，在不大于9 1 5 m m 的距离内运载平台将速度 减为o k m h 。减速的加速度至少2 0 9 ，并持续至少0 0 4 s 。之后，车辆被向前抛 出，进行预定的翻滚动作n 羽。另外，东风电动车辆股份有限公司对e q 6 1 1 0 h e v l 型混合动力客车进行滚翻试验，它是将客车静静地停放在试验平台上，在试验 人员的操纵下，试验平台缓缓向左倾斜，试验车也随之向右倾斜，当平台倾斜 角达到3 7 0 时，客车侧翻倒地【1 3 1 。 以上关于车辆侧倾稳定性和车辆侧倾试验的研究，描述了车辆侧倾的影响因 素，可以为载货车辆的侧翻研究提供借鉴。 1 2 2 货物约束工具的研究现状 货物约束工具不但起到保证货物安全被载的作用，还保证在货物运载过程 中，。当载物车辆发生各种危险和事故的情况下不发生约束失效。捆绑器作为货 物约束工具中最常用的一种，下面阐述捆绑器的研究现状。 捆绑器产品7 0 年代起源于美国，8 0 年代在欧洲地区快速应用和发展，9 0 年代 中期进入中国市场。 目前，世界各汽车工业发达国家都制定了相应的安全标准和技术法规，但 归纳起来，所有货物运载安全技术法规可分为三大体系，即美国、欧洲和澳洲 4 武汉理工大学硕士学位论文 技术法规体系。2 0 世纪6 0 年代中期，以高速公路、高速铁路为代表的快速物流 业在美国蓬勃发展，物流运输安全日益受到重视，2 0 世纪7 0 年代美国颁布了货 物运输安全规定，物流运输安防器械一捆绑器应运而生，并广泛应用。2 0 世纪 8 0 年代，物流运输安防器械一捆绑器在北美、欧洲等发达国家得到应用并推广。 经过3 0 多年的发展，物流运输器械行业在欧美等发达国家已发展成熟，很多发 达国家成立了专门的行业协会和研究机构，如美国吊装带和运输用捆绑带标准 委员会、欧洲技术标准委员会、德国吊索具行业协会等，并颁布了一系列相关 的产品标准，如美国w s t d a 标准【1 4 】- 【2 0 1 、欧洲e n 标剧2 1 】【2 2 1 、澳洲a s n z 标准 等等。并针对整个物流系统制定了相应的物流运输安全法律法规。 我国货物运载安全标准和技术法规落后于欧美等发达国家。虽然我国早就出 现了一些生产货物约束工具的公司，例如浙江双友物流器械股份有限公司、天 马企业集团、武汉新力吊索具公司、江苏大华吊装带有限公司等，但是并没有 相应的国家标准或行业标准来规范，因此交通运输捆绑工具的生产、销售和使 用没有得到良好的指导、约束和控制。即使有部分条例涉及了一些关于货物捆 绑的规定，但都空泛且不明晰，比如：“采用有效的固定方法，加以捆绑固定 。 常规的货物运输捆绑方法主要还是网罩、绳索人工拉紧法，汽车货物捆绑工具 处于萌发和初步认识阶段。在日常生活中，经常出现因网罩、绳索等不规范的 捆绑工具发生损坏而造成的受载货物损坏、脱落伤人，甚至妨碍交通；或货物 在运输过程中发生散包而造成的严重的交通事故；或不正确使用捆绑器械使运 输的货物脱离货车而引发的重大人身伤亡等交通事故。在2 0 1 0 年3 月1 5 日， 吉林省高速公路长余高速哈尔滨方向8 0 公里处一货车侧翻后引起两起交通事 故，一辆载有木箱的小货车因变道发生侧翻，车上的木箱散落在地上，这时从 后面驶来一辆半挂货车，撞在木箱上，就在其停车的瞬间，后面一辆轿车为躲 避车祸又发生侧翻，后面紧跟过来的大众车撞n d , 货车上，最后导致部分乘员 受伤，交通堵塞【2 引。 虽然我国出现了捆绑器，但是这些捆绑器都是根据国外的生产订单来加工 制作的，我国对捆绑器械的生产、销售、使用、维护和报废等各个环节的研究 依然处于起步阶段。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文将车辆一货物一捆绑器构成一个系统，分析该系统侧翻过程中捆绑器的 受力，本文主要完成以下几个方面的任务： ( 1 ) 通过收集国内外有关重型载货汽车的资料以及各厂家的捆绑器资料， 选择合适的载货汽车和捆绑器，建立车辆一货物一捆绑器系统的物理模型； ( 3 ) 分析影响汽车侧翻的因素，计算货车静态侧翻临界值，并理论分析在 该临晃值下所需捆绑器的数量； ( 4 ) 根据货车静态侧翻临界值，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件分析货车的侧翻 角从0 0 至9 0 0 变化时捆绑器的受力，得出捆绑器不发生失效时所需捆绑器的数量； ( 5 ) 借鉴国外标准，得出选用捆绑器数量的参考公式。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车辆货物约束系统物理模型的建立 要研究车辆一货物一约束系统侧翻的力学特性，首先要选择车辆的型号、货 物的属性及相应的约束工具。本章选用了e q l l 5 6 w 3 型载货汽车、长宽高为8 6 0 0 x2 2 9 4x1 5 5 0 c m 的长方体货物和t d 5 0 b 型捆绑器作为研究对象。 2 1 车型的选择 载重量为八吨的载货车辆在市场上较为常见，本文选择东风汽车生产的 e q l l 5 6 w 3 型载重量为八吨的载货汽车为研究对象，其具体参数如表2 1 所 示【2 4 1 。 2 2 货物的属性 货物的种类繁多，有圆柱形货物，如滚桶；有长方形货物，如盒子、箱子 等；另外还有一些板材、长柱、梁、卷等货物。本文根据车辆的尺寸及载质量， 选择一质量为8 0 0 0 k g ，长宽高为8 6 0 0 2 2 9 4 1 5 5 0 c m 的长方体货物为研究对象。 2 3 约束工具的选择 货物的约束方法主要有锁止、阻挡、捆绑等。锁止一般应用于集装箱的运输， 集装箱可通过四个扭锁固定在车辆上，不需要其它的约束方法，锁止所用的扭 锁如图2 1 所示。阻挡是货物通过货车上的阻挡装置装载以防止货物发生移动， 阻挡装置可以是车辆挡板、货物和车辆挡板之间的填充物等，如图2 - 2 所示。捆 绑是利用专用的捆绑工具把货物固定在车辆上，如图2 3 所示【2 5 1 。根据需要，本 文所使用的约束方式为捆绑方式，该方式所用的工具为捆绑工具。 货物捆绑工具包括捆绑器系列、绞车系列、撑货架系列、吊装带系列、拉紧 器系列等。由于捆绑器在货物的运输，移动，装运或者仓储时具有固定功能，其 锁紧后，不会脱落，安全可靠，轻便，操作简便，保护物体不受损伤，所以本文选择 武汉理l = 大学硕士学位论文 捆绑器系列作为捆绑工具。 捆绑器作为一种新型货物捆绑专用器，它是具有一定外形，带有连接和锁 紧装置，以确保货物安全固定的器械，其体积小，重量轻，而且只需一人操作 就可以很快完成捆绑任务，张紧力较大。浙江双友物流器械股份有限公司所生 产的人造纤维织带捆绑器如阁2 4 所示，具体规格如表2 - 2 所示。 3 j 0i o j j 1 虿 ，_ i 鬻矿 图2 - 1 扭锁 蚕 罔2 - 2 阻挡方式 礴 图2 - 3 捆绑方式 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 e q l l 5 6 w 3 载货汽车参数 参数名称数值 外形尺寸1 1 9 5 2 4 7 3 5 1 m 尺寸参数车厢内部尺寸8 6 2 2 9 4 0 5 5 聊 车厢底板高度 1 9 6 m 最大承载质量m 。 8 0 0 0 k g 簧载质量m ： 3 4 0 0 k g 质量参数 非簧载质量m 。 3 6 0 0 k g 簧载质量绕其纵轴的转动惯量 1 0 2 3k g 聊2 满载时货物质心高度h ， 2 7 3 5 7 ，l 簧载质量质心高度h 2 1 5 m 结构参数非簧载质量质心高度h 。0 8 m 侧倾中心高度h 。1 2 5 m 轮距b1 8 6 m 轮胎垂直刚度 1 4 4 x1 0 6 n m 轮胎抗侧倾刚度 7 1 0 4 n r a d 悬架垂直刚度乜3 2 5 1 0 悬架抗侧倾刚度 6 6 5 x1 0 5 n r a d 刚度与阻尼悬架垂直阻尼q 1 0 5 1 0 4n s m 参数 悬架抗侧倾阻尼c r 2 1 0 5 1 0 4 n s r a d 捆绑器的刚度幻1 0 1 0 捆绑器的抗侧倾刚度岛， 6 5 1 0 s n r a d 捆绑器的阻尼o 1 2x1 0 4n s m 捆绑器抗侧倾阻尼c ， 2 1 1 0 4n s r a d 9 武汉理工大学硕士学位论文 圈2 4 人造纤维织带捆绑器 表22 人造纤维织带捆绑器的规格 织带宽度 极限工作载荷 序号织带颜色 色线条数 ( r a m ) ( k g ) i2 5黑l5 0 0 23 8 扶 21 0 0 0 黄 3 1 5 0 0 35 0绿42 0 0 0 红 5 2 5 0 0 棕 84 0 0 0 47 5 蓝 1 05 0 0 0 棕 8 4 0 0 0 51 0 0 紫 1 2 6 0 0 0 61 5 0 橙 2 0 1 0 0 0 0 根据货物的质量、形状等麒性及捆绑器用于汽车运输的具体情况本文选 用织带宽度为5 0 r a m 颜色为绿色，极限工作载荷为2 0 0 0 k g 的t d f o b 型捆绑器。 极限工作载荷为破断强度的哔，所以其破断强度为4 0 0 0 培，超过传统车辆捆绑 力度的十倍，且捆绑器包含一个棘轮机构，用于加紧织带以保证货物安全固定， 并能有效防止货物散包或倒带等情况发生。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 捆绑方式的选择 目前国内外常见的捆绑方式主要有过顶捆绑、直接捆绑、环形捆绑【2 6 1 ，根据 货物种类的不同选择相应的捆绑方式。 2 4 1 过顶捆绑 过顶捆绑是将捆绑器跨过货物的顶端，防止货物发生倾翻或滑移的一种捆绑 方法，如图2 - 5 所示。 7 图2 - 5 过顶捆绑 1 货物2 竖轴( z 轴)3 捆绑器4 张紧装置 5 横轴( y 轴)6 捆绑点7 车厢底板8 纵轴( x 轴) 2 4 2 直接捆绑 直接捆绑是将装载物直接连接在车辆上，一般使用4 个捆绑器，如图2 - 6 所 示。捆绑器与承载平面之间的夹角为口，其值在2 0 0 与6 5 0 之间。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 环形捆绑 图2 6 直接捆绑 1 捆绑点2 连接点3 连接点4 捆绑点 环形捆绑是把货物捆绑在车辆的一端的一种形式，因此要防止货物朝相反 方向滑移，为达到双倍效果，环形捆绑器应成双成对使用，这样可防止货物倾 翻，如图2 - 7 所示。另外两对环形捆绑器可防止货物在纵向上扭曲。为防止货物 在纵向上发生移动，环形捆绑要与底部阻挡联合使用。环形捆绑仅提供横向约 束，对于圆柱形货物，在横向上还需要楔形块以增加横向约束。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 环形捆绑 由于在长度与宽度上货物与车厢的尺寸相近，所以不适合用直接捆绑，而环 形捆绑一般用于圆柱形货物，因此本文选用过顶捆绑作为此货物的捆绑方式， 捆绑器与承载平面之间的夹角为9 0 0 。 2 5 捆绑器数量的确定 由于目前国内尚未捆绑器的使用规范，因此本文捆绑器的数量根据美国和 欧洲的相关标准选定。 美国运输部规定的关于召类汽车运输安全条例，4 9 c f r ，3 9 3 部分，第 3 9 3 1 0 2 ( b ) 规定：要保证货物不向任何方向发生移动，捆绑器的平均极限工作负载 至少是货物重量的1 2 n 7 1 。则由此可知所需捆绑器数量的计算公式为： 捆绑器的数量= 1 2 货物重量 捆绑器的极限工作载荷 本文中货物重量为8 0 0 0 k g ，捆绑器的极限工作载荷为2 0 0 0 k g ，根据上式可得： 捆绑器的数量= 页顽毫s 篆蚤蠹靠蒜毳淼= 2 。 因此要保证重量为8 0 0 0 姆的货物安全固定，需要2 个极限工作载荷为2 0 0 0 瞎 的捆绑器。 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 车辆货物约束系统物理模型的建立 根据所选用的车型、货物和捆绑器，即可建立车辆一货物一捆绑器系统的物 理模型，如图2 8 所示。 图2 8 车辆一货物一捆绑器系统的物理模型 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章选用e q l l 5 6 w 3 型载货汽车为研究对象，确定了货物的属性，选择捆绑 器系列作为货物的主要约束方式，并根据实际情况选择t d 5 0 b 型捆绑器。通过 三种捆绑方式的比较，选择最适合的过项捆绑方式，并根据美国标准的公式确 定了所需捆绑器的数量，最后根据以上结果建立车辆一货物一约束系统的物理模 型。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章载货车辆临界侧翻时约束工具受力分析 造成车辆侧翻的因素有很多，比如转弯速度过大、转弯半径过小、路缘的冲 击、其它车辆的侧向撞击等等。不管车辆的侧翻是由哪种因素造成的，归根结 底还是由于车辆侧向加速度值超过其临界值。因此判断车辆是否会侧翻，就必 须计算出车辆不发生侧翻时的最大侧向加速度，即侧翻临界值。本章分析了刚 体车辆和悬挂车辆的侧翻临界值，并在此侧翻临界值下对约束工具的受力进行 理论分析，得出捆绑器不发生失效时所需捆绑器的数量。 3 1 刚体车辆侧翻临界值的分析 刚体车辆是指不考虑悬架和轮胎作用的车辆。在分析时由于不考虑悬架和 轮胎的参数，其计算结果与实际情况会存在偏差，但其优势在于可通过较少的 参数对车辆的抗侧翻能力进行初步的估计。虽然不能用于评价车辆的实际抗侧 翻性能，但可用于比较对不同货物的抗侧翻性能。本节建立了刚体车辆的力学 模型，分析了不同货物的侧翻临界值。 3 1 1 刚体载货车辆侧翻力学模型的建立 在车辆转弯的过程中，在车辆重心处存在侧向加速度，此时车辆在侧向上 受到由侧向加速度引起的加速力。为了平衡加速力，地面对轮胎会产生相应的 摩擦力。具体受力分析如图3 1 所示。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 g 图3 - 1 刚体车辆侧翻受力分析 a r 要使车辆不发生侧翻，则： m g b 2 一m a v h 0 ( 3 一1 ) 其中弘为车辆轮胎与路面之间的横向摩擦系数； 石、石分别为路面对左右轮胎产生的摩擦力； m 为车辆和货物的总质量； 吼为车辆的侧向加速度； 占为车辆的轮距； h 为车辆和货物的重心高度。 3 1 2 不同重心高度的侧翻临界值分析 车辆一货物一约束系统的重心高度不同，其侧翻临界值就会发生相应的变化。 本节分析了车辆一货物一约束系统的重心高度与侧翻临界值的关系，并绘制出两 者的关系曲线。 由公式( 3 一1 ) 可知： 武汉理工大学硕士学位论文 生尝( 3 2 ) g 2 其中： 男为轮距，其值为1 8 6 m 。 根据式( 3 2 ) ，即可得出车辆一货物一约束系统的侧翻临界值与载货车辆重 心高度的关系曲线，如图3 2 所示。由图可知，侧翻临界值随着载货车辆重心 高度的增加而减少，当重心高度为1 m 时，其侧翻临界值为0 0 3 9 ；当重心高度 为3 历时，其侧翻临界值为0 3 1 9 。 图3 2 侧翻临界值与载货车辆重心高度的关系曲线 3 2 悬挂载货车辆侧翻临界值的分析 悬挂车辆侧翻临界值的计算要考虑轮胎和悬架的柔顺性。刚体车辆的侧翻 临界值会高于悬挂车辆的侧翻临界值，因为在车辆存在侧向加速度时，横向载 武汉理工大学硕士学位论文 荷的转移将减少车辆内侧车轮的载荷，并增加外侧车轮载荷，同时由于车辆的 侧倾，车辆的重心会向外侧转移，重心的转移又会减小重力的力矩臂，这样会 使得重力的抗侧翻能力降低【2 1 7 1 。本节建立了悬挂车辆的侧倾模型，得出悬挂车 辆的侧翻临界值。 建立模型时，考虑轮胎及悬架的影响，分析簧载质量和非簧载质量质心的偏 移，并作如下假设： ( 1 ) 只考虑对车辆侧倾影响较大的部件，如轮胎、悬架，对车辆侧翻影响 较小或无影响的零部件建模时忽略不计； ( 2 ) 簧载质量质心、非簧载质量质心和侧倾中心处于同一垂直平面内； ( 3 ) 作用在内、外侧车轮上垂直反力的作用点处于轮胎的中心； ( 4 ) 考虑到前后各轴参数的差异，参数的数值取中间值。 车辆一货物的受力主要有路面的支持力、重力、由侧向加速度引起的加速力 等等，具体受力分析如图3 3 所示。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 悬挂车辆侧翻受力分析 图中：0 为侧倾中心； o ，为非簧载质量的质心； 武汉理工大学硕士学位论文 仍为簧载质量与货物的质心； 仍为路面对车辆外侧轮胎的作用点； 3 为非簧载质量质心高度； 儿为侧倾中心的高度； 如为簧载质量与货物的质心高度； 弼为非簧载质量的侧倾角； 口，为簧载质量与货物的侧倾角； m ；为非簧载质量； m 4 为簧载质量与货物质量，其数值等于确+ m ，= 11 4 0 0 k g ； j ，为非簧载质量质心的偏移量； s 2 为侧倾中心的偏移量； 以为簧载质量与货物的质心偏移量； r ，r 为路面对内、外两侧轮胎的垂直反力。 以簧载质量与货物为研究对象，对侧倾中心d 取距，得： m 4 a j ，h 6 + m 4 9 ( s 3 一s 2 ) 一k ，2 t t l 2 = 0 ( 3 3 ) 式中：k r 2 为悬架的抗侧倾刚度。 i 由t - c q 、t t l 2 的值很小，则s i n t z l ，s i n t r 2 a 2 ，s i n ( a l + a 2 ) 嘶+ ， 并由图3 - 2 可知： s l = t , 3s i n a l 如q s 2 = h 4s i n o f i h 4 嘶 ( 3 4 ) 妁= s i n 嘶+ 玩s i n ( a i + ) h 4 c t i + , 6 ( 口i + 口2 ) = h s c t i + 魄吃 车辆存在侧向加速度时，路面对内外两侧轮胎的垂直反力r 和r 不相等， 其数值与轮胎的垂直刚度、轮胎的变形量有关，轮胎的变形量又与非簧载质量 的侧倾角有关。 e = 玛( 磊一万) ( 3 - 5 ) r o = k 3 ( 8 0 + 万) 万：! 口口l 2 1 曩+ f o = m g 2 1 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中：面为车辆没发生侧倾时轮胎的变形量； 6 为车辆侧倾后轮胎变形量的变化量； 肠为轮胎的垂直刚度； b 为车辆的轮距。 当侧向加速度不断增大，车辆的内侧轮胎离地时，车辆将处于不稳定的状 态，然而，这时若通过快速操纵方向盘使其向外侧转向，驾驶员有可能将侧向 加速度降低到车辆恢复直立状态的水平，使这不稳定状态终止，但是车辆侧翻 进行的很快，进行这种操作需要很快的反应( 在几分之一秒之内) 【2 8 】，对一些 特技驾驶员来说，他们是可以实现这一点的，并能在车辆两轮着地的情况下行 驶相当长的距离。然后，对于一般的驾驶员而言，尤其是装载较多货物的货车 驾驶员，处于这种状态时是很难避免发生侧翻事故的。因此将车轮离地定义为 侧翻的开始，即当轮胎对内侧车轮的垂直反力局= o 时，车辆处于临界侧翻状态， 此时的侧翻加速度值即为侧翻临界值。 令厅= d ，并由式( 3 - 5 ) 、( 3 6 ) 、( 3 7 ) 、( 3 8 ) 得： 6 0 = 8 = 扣2 署 即： ：塑 ( 3 9 ) b k 3 由式( 3 - 6 ) 、( 3 7 ) 、( 3 - 1 2 ) ，可得： m g ia y 口2 = 五b k 3 g ( 3 - 1 0 ) m 4 9 h 6 以车辆一货物整体为研究对象，对路面与车辆外侧轮胎的接触点仍取距， 可得临界侧翻条件为： 掣y h 3 + m a a y 办5 - m 4 9 ( b 飞) 一m 3 9 ( 詈飞) = u ( 3 1 1 ) 由( 3 4 ) 、( 3 - 9 ) 式得： 武汉理工大学硕士学位论文 & = h 3 m g ( 3 1 2 ) 1 b k a 、。 由( 3 - 4 ) 、( 3 - 9 ) 、( 3 1 0 ) 式得： m g i a y 驴鸶+ h 6b 垃k 3 一g f ( 3 - 1 3 ) m 4 9 h 6 把如= o 8 m 、m = 1 5 0 0 0 k g 、b = 1 8 6 m 、k 3 = 1 4 4 x 1 0 6 n m 代入( 3 一1 2 ) 式， 解得： 5 1 = o 0 4 4 5 m h s = 2 3 7 3 m 、h 6 = 1 1 2 3 m 、m 4 = 1 1 4 0 0 k g 、g r 2 = 6 6 5 x 1 0 5 n r a d 等数值代 入( 3 - 1 3 ) 式，可解得： 5 3 = o 1 3 2 + 0 2 2 ( - y + o 5 5 6 ) 把j 卜5 3 的值代入( 3 1 1 ) 式，可得： 生：0 3 3 5( 3 1 4 ) g 由( 3 1 4 ) 式可知，当侧向加速度达到o 3 3 5 9 时，车辆将处于临界侧翻状态， 当侧向加速度大于此值时，车辆会发生侧翻，即o 3 3 5 9 为承载质量为s o o o k g 的 悬挂车辆的侧翻临界值。 3 3 临界侧翻时捆绑器的受力分析 车辆处于临界侧翻状态时，假设捆绑器在侧向加速度逐渐增大的过程中还 未断裂，那此时货物与车辆可看成一整体。由于货物承受着由侧向加速度引起 的惯性力，用于固定货物的捆绑器会被拉长，捆绑器的张紧力就会增大，当张 紧力不超过捆绑器的极限工作载荷，r 0 2 0 0 0 k g ，则捆绑器的变形为弹性变形；当 张紧力继续增大，超过捆绑器的极限工作载荷，但不超过捆绑器的破断强度， 晟0 4 0 0 0 k g ，则捆绑器因发生塑性变形而失效；当张紧力超过捆绑器的破断强度时， 则捆绑器就会发生断裂。要保证捆绑器不发生失效，捆绑器的张紧力必须小于 武汉理工大学硕士学位论文 其极限工作载荷。本节建立了货物一捆绑器模型，分析捆绑器在侧翻临界值下的 受力，得出捆绑器不发生失效时所需捆绑器的数量。 3 3 1 货物一捆绑器力学模型的建立 以货物和捆绑器为研究对象，主要受力有：由侧向加速度引起的惯性力、车 厢底板对货物产生的摩擦力以及捆绑器施加在其上的力，捆绑器承受着随着侧 向加速度的变化而变化张紧力。具体受力分析如图3 4 所示。 旌 m l g 图3 4 货物与捆绑器的受力分析 图中：e 为捆绑器的张紧力； 局为货物的惯性力； 6 t 为捆绑器与承载平面之间的夹角，其值为9 0 0 ； a 为货物的宽度，其值为2 2 9 4 m ； j i l 7 为货物的高度，其值为1 5 5 m 。 巧= m l a j ， ( 3 -