摘 要

作为一种配置了清障救援作业装备的专用车辆，道路清障车能够对故障或事故车辆进行起吊和拖牵，以达到迅速离开事故区域以保障道路畅通的效果。我国公路网络在地图上不断铺展，汽车保有量也随之不断增长，显而易见的影响即是迅速增加的对清障车救援的迫切需求，为应对路况的日趋复杂和作业条件的愈发恶劣，清障车也在朝着多功能化的趋势发展。本文在分析国内道路交通事故清障救援需求以及调查国内道路清障车的类型的基础上，设计了不同于国内现有道路清障车的一种新型结构的道路清障车，即以其结构特点命名的侧装式道路清障车。在认真研究了清障车的结构组成和工作原理基础上秉持充分实现道路清障车清障救援性能的设计原则，阐明了侧装式清障车总体设计方案并绘出总布置设计图。介绍了侧装式清障车有关性能参数的计算方法，并对动力性和结构性进行了计算和说明。最后还借助CATIA对清障车副车架进行了有限元分析，为该清障车定型生产提供了依据。

关键词：清障车；总体设计；CATIA；有限元分析

ABSTRACT

As a special vehicle equipped with obstacle rescue equipment, the road wrecker can lift and drag the fault or accident vehicle to quickly leave the accident area to ensure the smoothness of the road. China’s road network continues to spread on the map, and the number of car ownership continues to increase. The obvious impact is the rapidly increasing urgent demand for wreckers. In response to the increasing complexity of road conditions and the increasingly harsh operating conditions, Barriers are also moving toward the trend of multi-functionality. In this paper, on the basis of analysing the needs of road traffic accidents in China, and analyzing the types of road wreckers in China, a new type of road wrecker that is different from the existing road wreckers in China is designed. Features named side mounted road wrecker. After earnestly studying the structural composition and working principle of the wrecker, it upholds the design principle of fully realizing the wrecker's wrecking and rescue performance, clarifies the overall design scheme of the side-mounted wrecker and draws the general layout drawing. The calculation methods for the performance parameters of the side mounted wrecker are introduced, and the dynamics and structural properties are calculated and explained. Finally, with CATIA, the finite element analysis of the wrecker's subframe was provided, which provided the basis for the wrecker's final production.

KEYWORDS: Wrecker; Overall Design; CATIA; Finite Element Analysis

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2国内外清障车技术研究现状 2

1.2.1国外清障车技术研究现状 2

1.2.2国内清障车技术研究现状 3

1.3本文的主要研究内容 4

第2章 侧装式清障车的总体方案确定 6

2.1设计思想 6

2.2总体研发方案 6

2.3底盘的选择 7

2.3.1底盘的结构 7

2.3.2底盘型号的选择 7

2.3.3底盘的改装设计 8

2.4总布置设计 9

2.5本章小结 11

第3章 侧装式清障车的性能计算分析 12

3.1主要技术参数 12

3.2轴荷分配 12

3.3动力性的计算 13

3.4燃油经济性的计算 14

3.5稳定性的计算 15

3.5.1静态稳定性的计算 15

3.5.2稳态稳定性的计算 16

3.6制动性的计算 17

3.7本章小结 18

第4章 副车架的有限元分析 19

4.1有限单元法简介 19

4.2 CATIA软件的介绍 19

4.3副车架的简介 19

4.4副车架各部件材料属性 20

4.5副车架有限元计算分析 21

4.5.1副车架的静态分析 21

4.5.2副车架的模态分析 25

4.6本章小结 29

第5章 结论 30

参考文献 31

致谢 34

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

近年来，我国经济发展势头喜人，公路路线日新月异，随之而来的是里程的迅速增加，如此情况下我国公路主干线基本形成“五纵七横”的格局。公路建设的质量日益良好，使车辆的行驶环境愈发良好，随之而来就是汽车保有量的增速迅猛。汽车带给人们工作和生活极大便利的时候也让人们不得不苦恼其带来的无数麻烦如交通事故，首当其冲的就是“横尸街头”的故障车在公路上会严重堵塞交通，尤其是行驶速度快、来往车辆多的高速公路上，不能及时处理的交通事故，往往会使交通堵塞更为严重。综上，交通事故的不可预见性以及损坏程度不一的故障车辆使得交通管理部门不得不青睐可以短时间内到达事故发生现场进行快速清理的清障车，遑论其还有繁多的功能，操作起来也十分简单方便。

清障车实际名为道路清障车，也因其结构功能的不同被称为道路救援车、拖曳车和拖车，但无论结构如何变化大致都有如下基本组成部分如车体、底盘、拖牵装置、托举装置、电-液控系统以及工具箱等，其一般可进行拖牵、托举、拽拉以及起吊等动作，常在高速公路和城市道路的进行清障作业。配置有各种道路救援作业设备的专用汽车即是道路清障车^[1]。汽车行驶在公路上时，事故发生或者故障产生总是没办法完全避免的，尤其是在高等级公路上，这种现象更是时有发生。清障车的职责就是在最短的时间内于事故发生后赶到事故现场，同时将事故车或故障车在第一时间即时地拖离开现场，使道路能够保持畅通无阻，便利其他车辆。该车能够将事故、损坏或者违章车辆通过钢丝吊绳扶正，而后托起其前轮、车轴或者大梁甚至将其“背”起等，快速驶离现场，从而恢复事故路段的交通秩序^[2]。是以，道路抢险车成为道路清障车又一别名。持续建设的高等级公路与种类和数量一直增多的专用汽车，也促使清障车不断创新，在其向前发展的过程中，一些较为危险的因素亦无法避免地随之出现，因此在进行清障抢险作业的时候也要安全地对清障车进行操作。

清障车的分类若按类别主要分为为以下几种型式：拖吊分离和拖吊连体型、全落地和半落地式、一拖一平板和一拖二平板型以及多功能清障车^[3]。拖吊分离型清障车分为用于中型车的吊臂旋转与用于中轻型车的不旋转这两种类型。轻、中和重型则是按照工作能力进行分类的，轿车、微型客车以及轻型货车等采用轻型清障车进行清障救援作业，大中型客车和中重型货车采用中重型清障车进行清障救援作业，而重型货车和超重型半挂汽车则无疑只能选取超重型清障车来进行清障。按照结构形式分类，简单叉、门架叉和背式以及臂架起重机型清障车则是道路清障车的四个基本类型^[4]。而这些种类的清障车作业过程相对较长，在一些车辆行驶较多的路段，可能会造成短时间的堵塞。清障车的作业时间的快捷性，是在设计时是不可忽略的。同时，国内还未有侧装式结构的清障车的实际应用。救援事故或故障车辆的功能是我们在开发侧装式清障车及其注重的一方面，清障车的性能不仅取决于各部件的性能，还同各部件之间的协调及配合有着密不可分的关系，这种合理的协调与配合主要依赖于总体设计。因此，清障车设计中尤为重要的一部分就是总体设计^[5]。

从国内清障车目前的发展来看，我国大部分清障车制造企业的设计研发人员对清障车各部件进行刚度及强度的校核时主流方法仍为传统的解析法^{[6, 7]}，这种方法明显的局限便是一些复杂的结构仅能大致估算或者依靠经验进行处理，使得设计出来的产品大多难以有较佳的性能，也因此几乎没有任何市场竞争力可言，不仅如此还导致了极大的浪费，完全无法满足清障车的现代设计需要^[8]。因此，十分有必要运用有限元方法对清障车进行深入研究，经过有限元分析后，我们针对性地对结构进行合理的改进和优化^[9]。

1.2国内外清障车技术研究现状

1.2.1国外清障车技术研究现状

道路清障和救援技术起源于道路交通十分发达的国家，世界上首辆清障车于美国在1916年落地诞生^[10]。那时的清障车十分简单，卷扬机也仅通过机械传动来带动，作业对象通过拉杆被撑起，一侧被悬高自现场被拖走；第1阶段，清障车的发展呈现出的即是自制底盘的使用以及较为简单的功能。第2阶段，清障车标志性的发展是引进控制及液压传动技术，首批应用全液压传动技术的清障车于1970年被生产出来，而美国的Century、奥地利的Empl、日本的Tokyu以及英国的Wreckers International等许多有名的清障车企后起之秀于此时如雨后春笋般涌现。增多的系列、种类与规格，多种多样的结构形式，多种多样的专用底盘与二类底盘，均是清障车生产与技术在此期间得到很大发展的强有力证明。大型清障车更是最大可达4桥。第3阶段，即1980年到现在，处于发展迅速时期的清障车开发出拖曳、拽拉、起吊、托牵、背拖、维修以及清洁等功能，逐步实现结构多样和功能齐全。第4阶段，工作能力更上一个台阶，最大可托举25t、最大可起吊40t以及最大可拖牵48t。第5阶段，完成更舒适的工作环境、更先进的操作方式目标。国外，底盘生产商收到专用底盘用户订货时，会给对方一个软件，订货商可以在软件中进行操作修改底盘的布局，之后订货商的修改意愿会成为生产商生产专用底盘的依据^[11]。除此之外，也有专门为清障车而设的底盘改装厂。在全球能源危机与环境恶化愈发加剧的情况下，国外清障车的发展还呈现出上装轻量化的趋势。自世界呼吁开展节能减排活动以来，轻量化技术便在汽车设计中开始崭露头角并占据了一定话语权，在国外，普通铝板被大面积用到平板的制造中，大多时候还会添加铝合金型材，如此可以预计轻量化会愈发得到用户和企业的青睐^[12]。

1.2.2国内清障车技术研究现状

我国的城乡道路条件日益改善，人们对出行标准的要求也越来越高，主要表现在机动车的保有量增速惊人，因此迅速增加还有道路事故车辆救援、城市违章车辆处理及自然灾害抢险等社会需求^[13]，故“便捷、高速、安全、舒适”的交通环境成为人们越来越需要的东西。为了确保交通环境的安全顺畅，对老旧装备的改进和更换，以及对救援功能齐全的清障车的购进就是我国各级交通管理部门急需解决的问题。因此，是能通过清障车良好的前景对其国内的市场有所预期的。我国清障车行业始于上世纪80年代中期，当时仅能达到从国外引进清障车然后仿造的程度，紧接着行业目光对准发展至第3阶段的国外清障车，决心先从国外学习核心技术然后潜心进行自主研发。在我国企业研发技术以及生产制造技术均有较大突破的基础上，就国内市场的需求而言，在一定程度上均可以满足。然而不得不说国内目前水平和国际顶尖水平也是有一定距离的^[14]。主要表现在：

1. 缺乏专业化底盘。清障车对专用底盘的需求来源于其特殊的作业方式，但由于成本及技术的限制，我国当前仍倾向于选取货车用二类底盘进行改装，使其在整车布局、结构布置、受力方式上多会表现出不合理、不适应，从而让不尽合适的匹配出现在清障车与底盘之间，同时未获得完全发挥的还有底盘作业的能力^[15]。
2. 研发动力不足。处在模仿阶段的产品开发仅拥有为数不多的自主开发品种。大多数企业因为生产不多同时缺乏技术指导，甚至为压缩成本，采取落后的手工作坊式生产，致使产品虽然能够出售，但其粗糙的外形、较少的功能以及较差的性能依然广受市场诟病。唯有少量企业生产量大，在生产中愿意使用较为高端的技术如等离子或激光等来确保产品下料时能够有精确的尺寸，同时尽可能避免毛坯受热变形来提高产品质量，以此来使产品的技术含量增加，使其更有市场竞争力。
3. 智能化技术。智能化技术未能够充分地体现在清障车的研制中，它的存在意义仅是实现了基础的清障与救援，监控设备也还未能开发出智能化的产品^[16]。

清障车今后的发展方向为功能完备、性能杰出以及操作便捷^[17]。车身结构进行改良、钢材选取高强度、新型材料的应用和车身实现轻量化、生产实现自动化、使用过程实现智能化、配置实现精细化、操作实现专业化以及高技术的轻型厢式城市专用汽车将会是清障车未来的走向和趋势^[18]。国外对于清障车的技术研究优于国内，比如清障车上的密封件、液压以及电液控制等技术国外均能进行独立的研究，同时清障车专用底盘的研究具有较为重要的地位。较强的整车技术匹配与设计能力是开发清障车产品需要拥有的关键能力，这种匹配设计能力是国外做得较好的方面。我国的清障车行业始终坚持走在引进技术的基础上进行自主开发的持续发展性道路，我们始终紧随世界的脚步去探索清障车的发展方向，基本能达到和世界一致的技术水平，然而和国际顶尖水平对比产品的耐用性和可靠性方面仍然还有很长的路要走，专用底盘的极度缺乏更是成为限制我们进一步向前发展的桎梏。在对国内外的发展状况了然和把握的基础上，我国对道路清障车底盘的研发与应用需有所加强，让我国与国外在清障车的技术差距上进一步减少，与世界同步的清障车技术发展使我们始终坚持的目标。

1.3本文的主要研究内容

汽车总体设计是基于产品的前期市场调研、开发项目的可行性研究、设计任务书的要求，实现车辆功能和性能的总体结构参数和性能参数的选取和确定^[19]。因此侧装式清障车的总体设计主要包括：由车辆类型决定的驱动形式的总布置，车辆质量参数、尺寸参数、工作参数和性能参数的确定与评估，车辆（底盘和车身）总布置设计和校核。

论文主要从以下几个方面做了相应研究：

1. 介绍清障车的研究背景和研究意义。分析清障车的基本结构，介绍其工作流程。介绍清障车常见分类，介绍国内外道路清障车发展的当下情况与未来走向。
2. 以东风天锦商用车为二类底盘，了解底盘的技术参数和各大总成的结构参数特点，在对所使用的底盘进行必要的结构调整的基础上，对清障车做总布置设计。
3. 完成总布置设计后，按照公式计算清障车的整车参数与性能参数，验算清障车的相关性能是否符合要求，以保证清障车具有足够的动力性、合理的燃油经济性、可靠的制动性与必要的稳定性。

论文拟达到的研究目标如下：

以东风天锦商用车为二类底盘，对清障车做总布置设计，计算清障车的整车参数及性能参数。

论文拟采用的技术方案及措施如下：

1. 广泛收集资料，阅读相关文献，了解国内外的清障车研究现状。
2. 分析清障车的系统构成和原理，以东风天锦商用车为二类底盘参考相应文献进行总布置设计。
3. 参考《汽车构造》、《汽车理论》、《汽车设计》、《汽车总体设计》、《机械设计手册》、《汽车现代设计方法》、《汽车工程师手册》等教材和参考书及《汽车工程》、《汽车研究与开发》、《汽车技术》等期刊杂志计算清障车的整车参数及性能参数，参考《CATIA V5R20快速入门教程》对清障车进行建模，参考《CATIA 有限元分析实例教程》对副车架进行有限元分析。
4. 学习CATIA及相关建模分析软件，对清障车进行数字模拟，进行图纸绘制与说明书编辑。
5. 学习CATIA有限元分析模块，对清障车副梁进行有限元分析。

第2章 侧装式清障车的总体方案确定

2.1设计思想

在清障车设计之前，我们对国内市场清障车市场进行了调查分析。根据现有的实际情况，进行反复讨论研究，做出了以下的设计要求：

1. 既可以在城市道路中使用，又可以在高速道路上使用，同时适用被救援的车辆种类应该尽量多一些；
2. 必须最大限度地贯彻“产品系列化、零部件通用化、零件设计标准化”，以达到加快设计速度、方便生产、保证生产率、提高产品质量及方便维修的目的，；
3. 对底盘与相关的总成进行合适的选取，以此有效保证整车性能与各总成间能够合理匹配；；
4. 对整车结构进行合适的布置，方便组织以进行生产；
5. 结构紧凑，造型美观、色彩协调；
6. 节能、环保、安全及舒适；
7. 在保证性能的同时，让生产成本尽量降低；
8. 尽可能保证具有良好的燃油经济性和低的排放。
9. 作为道路清障车，保证具有更好的安全性；
10. 符合国家、行业的有关标准和法规；
11. 整车技术及结构应达到国内先进水平。

2.2总体研发方案

全面调查目前国内道路清障车的的类型，仔细研究目前国内道路清障车的问题所在后，设计了结构不同于国内现有的拖吊型和平板型清障车的侧装式清障车，其涉及一种新型道路清障车的结构设计，主要是在一种车厢平台上设置能够往横向移动的前、后横行小车，在前、后小车上设置有能竖直移动的竖行小车，竖行小车下端部设置有能伸入车辆底盘下的插齿机构，机构上的马达实现插齿的伸出与回缩，借助插齿机构抬升车辆并转移至车厢平台上的侧装式清障车。适合道路清障、故障车牵引等需移位的场合，也是后索引式清障车市场的一种不可或缺的补充^[20]。主要适用对象为抛锚在路面上普通乘用车，重量约3吨以下，其清障工作可快速完成，不适用于其他大型车辆或滑出路面的车辆。

2.3底盘的选择

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