移動(dòng)式駐車制動(dòng)檢驗(yàn)坡臺(tái)模型及撓度分析

滕巧蘭，曹偉平,2

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江 麗水 323000；2. 麗水市綠谷車影科技有限公司，浙江 麗水 323000）

移動(dòng)式駐車制動(dòng)檢驗(yàn)坡臺(tái)模型及撓度分析

滕巧蘭1，曹偉平1,2

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江 麗水 323000；2. 麗水市綠谷車影科技有限公司，浙江 麗水 323000）

文章通過理論計(jì)算和模擬，分析了復(fù)合材料制造的 20%和 15%兩種坡度的移動(dòng)坡臺(tái)的力學(xué)性能，研究表明移動(dòng)坡臺(tái)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)撓度計(jì)算結(jié)果表明坡臺(tái)表面形變產(chǎn)生的最大傾角在合理的誤差范圍之內(nèi)；模擬結(jié)果也表明用此復(fù)合材料制造的移動(dòng)坡臺(tái)單個(gè)承重50kN時(shí)形變量與理論計(jì)算相符合，從而為移動(dòng)坡臺(tái)作為機(jī)動(dòng)車駐車制動(dòng)檢驗(yàn)工具提供技術(shù)支持。

移動(dòng)坡臺(tái)；駐車制動(dòng)；復(fù)合材料；撓度

前言

國家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258-2012）[1]和《機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》（GB21861-2014）[2]規(guī)定：機(jī)動(dòng)車駐車制動(dòng)性能可以通過駐車制動(dòng)試驗(yàn)坡道和制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)兩種方式進(jìn)行檢驗(yàn)。但目前，國內(nèi)部分機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)受場地和資金限制，存在無駐車試驗(yàn)坡道或雖有駐車試驗(yàn)坡道但坡道長度無法滿足對(duì)多軸貨車、汽車列車等車輛進(jìn)行駐車制動(dòng)檢驗(yàn)的現(xiàn)象。針對(duì)上述問題，作者曾經(jīng)提出用移動(dòng)式駐車制動(dòng)檢驗(yàn)坡臺(tái)組合（簡稱“移動(dòng)坡臺(tái)”）替代駐車試驗(yàn)坡道來檢驗(yàn)車輛駐車制動(dòng)性能。移動(dòng)坡臺(tái)采用復(fù)合材料制作，其坡度與標(biāo)準(zhǔn)坡道相同但尺寸較小，即將駐車制動(dòng)試驗(yàn)坡道小型化。在測(cè)試車輛駐車制動(dòng)性能時(shí)，在每個(gè)車輪下放置一個(gè)移動(dòng)坡臺(tái)，檢驗(yàn)車輪能否行駛上并停駐在移動(dòng)坡臺(tái)上。其可行性已經(jīng)得到理論論證。[3-4]

在此研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步探究移動(dòng)坡臺(tái)制造的選材及模型尺寸問題，以及選定的材料在力學(xué)性能上是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。通過最大撓度的計(jì)算及UG軟件的模擬，探討移動(dòng)坡臺(tái)材料的力學(xué)性能好壞，計(jì)算結(jié)果和軟件模擬圖像均表明移動(dòng)坡臺(tái)產(chǎn)生的最大形變量在檢驗(yàn)所要求的誤差范圍內(nèi)，且所選用材料制造的移動(dòng)坡臺(tái)應(yīng)具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

1 移動(dòng)坡臺(tái)設(shè)計(jì)

進(jìn)行機(jī)動(dòng)車駐車制動(dòng)檢驗(yàn)時(shí)，要求機(jī)動(dòng)車駛上的移動(dòng)坡臺(tái)要有足夠的承重能力和強(qiáng)度，以確保重型貨車或大型客車停駐在移動(dòng)坡臺(tái)的臺(tái)面不易彎曲變形。經(jīng)過調(diào)查分析和比較，我們發(fā)現(xiàn)比較適合做移動(dòng)坡臺(tái)材料的是 SMC(Sheet Molding Compound)?，F(xiàn)代的SMC產(chǎn)品種類繁多，也越來越廣泛地應(yīng)用于交通領(lǐng)域。SMC材料是一種纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，主要原料由不飽和聚酯樹脂和玻璃纖維組成，并添加GF（專用紗）、MD（填料）及各種助劑，經(jīng)高溫、高壓一次性壓膜成型。該材料具有優(yōu)異的電絕緣性能、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)防腐性。相比于傳統(tǒng)的木質(zhì)材料或者鋼制材料，SMC具有良好的抗沖擊、抗彎曲強(qiáng)度、高耐摩擦性、抗老化，以及硬度高、質(zhì)量輕、外表美觀等優(yōu)點(diǎn)。因此，SMC是制作移動(dòng)坡臺(tái)材料的較理想的選擇。

移動(dòng)坡臺(tái)是將20%和15%的標(biāo)準(zhǔn)駐車坡道按比例縮小。為了確定移動(dòng)坡臺(tái)的尺寸，應(yīng)最大程度的適應(yīng)各種車輛的駐車制動(dòng)檢驗(yàn)，特別是要能滿足并裝雙軸、并裝三軸等多軸車輛的檢測(cè)。我們從中國汽車網(wǎng)公告中查詢、統(tǒng)計(jì)了1527種車型的軸距參數(shù)。只有兩款車型最下軸距小于 1300mm，并已停止生產(chǎn)且在用車輛已到達(dá)黃標(biāo)車和報(bào)廢狀態(tài)。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的移動(dòng)坡臺(tái)尺寸，要求能滿足軸距為1300 mm及以上車型的檢測(cè)。

我們?cè)谟?jì)算具體尺寸時(shí)，假定輪胎是剛性的，一般重型貨車的輪胎型號(hào)采用12.00R24，半徑R=619mm。對(duì)于20%坡度的移動(dòng)坡臺(tái)，傾角為θ（tgθ=0.2），與車輪剛好相切時(shí)，。設(shè)高為x，則要求滿足不等式

其中軸距S=1300mm，則有，，如圖 1所示。同理對(duì)于 15%坡度的坡臺(tái)(tgθ=0.15)，也可大致估算出適合移動(dòng)坡臺(tái)的尺寸。

圖1 移動(dòng)坡臺(tái)尺寸示意圖

圖2 20%坡度移動(dòng)坡臺(tái)尺寸圖

此外，考慮到直劈形坡臺(tái)棱角會(huì)磕碰到車胎且有可能會(huì)發(fā)生翻滾，我們將坡臺(tái)左邊垂直面處設(shè)計(jì)成圓弧緩沖斜面。在移動(dòng)坡臺(tái)內(nèi)部底座設(shè)計(jì)5道立柱使它更加堅(jiān)固。結(jié)合實(shí)際情況下各種車輛的軸距以及輪胎產(chǎn)生形變等因素，最終確定適合駕駛?cè)藛T方便操作的移動(dòng)坡臺(tái)的尺寸數(shù)據(jù)如圖2所示。

2 移動(dòng)坡臺(tái)的撓度分析

2.1 理論計(jì)算分析

根據(jù)《應(yīng)用彈塑性力學(xué)》[5]，由 Kirchhoff-Love假定，各向同性材料的廣義胡克定律為：

對(duì)于矩形薄板，取一個(gè)高為h，邊長分別為dx和dy的矩形微元體，主要應(yīng)力矢量σxτxy均沿中面反對(duì)稱分布，因而他們?cè)谠撁嫔虾狭?，即：

合力矩為：

Mx和Mxy分別表示作用在單位長度上的彎矩和扭矩；D表示彎曲剛度：

[1]習(xí)近平：《把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面》，《人民日?qǐng)?bào)》2016年12月9日。

設(shè)板的邊長分別為l和b，邊界條件可以寫成：

采用Navier解法，得撓度為：

其最大撓度為[5]：

其中：ωmax為板中心的最大撓度；q0為板表面受到的均布荷載；l為跨距（mm）；h為試樣厚度（mm）；b為試樣寬度（mm）；D為彎曲剛度，代表構(gòu)件抵抗形變的能力；E為彎曲彈性模量；υ為泊松比（E=11GPa時(shí)，υ=0.3[6]）。

對(duì)于彎曲彈性模量，GB/T 1449-2005定義：材料在彈性范圍內(nèi)，彎曲應(yīng)力與相應(yīng)的彎曲應(yīng)變之比[7]。根據(jù)SMC國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 15568-2008）對(duì)力學(xué)性能的要求，M1型材料E≥10.0GPa[8]。

對(duì)于彎曲強(qiáng)度，GB/T 1449-2005定義：試樣在彎曲破壞下，破壞載荷或最大載荷時(shí)的彎曲應(yīng)力。我們考慮，此標(biāo)準(zhǔn)中的載荷為點(diǎn)載荷，而移動(dòng)坡臺(tái)上的車輛輪胎載荷為面載荷分布，因此，參考《工程力學(xué)》[9]，得：

其中，σf為彎曲強(qiáng)度（或撓度為 1.5倍試樣厚度時(shí)的彎曲應(yīng)力）；P為破壞載荷（或最大載荷，或撓度為1.5倍試樣厚度時(shí)的載荷）。

據(jù)SMC材料的國家標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能M1型指標(biāo)的要求，彎曲強(qiáng)度σf≥170MPaMPa。結(jié)合設(shè)計(jì)移動(dòng)坡臺(tái)的尺寸參數(shù)，則可算出移動(dòng)坡臺(tái)最大載荷 P≥158KN，完全滿足單個(gè)移動(dòng)坡臺(tái)載荷50.0 KN的要求。

移動(dòng)坡臺(tái)底座設(shè)計(jì)有5道立柱（加強(qiáng)筋），每道立柱寬10 mm，中間橫排4個(gè)空格，2個(gè)立柱夾1個(gè)空格為1組，共有 4組。計(jì)算每個(gè)空格對(duì)應(yīng)的四邊簡支尺寸參數(shù)：l≈96.7mm，h≈15mm，b≈62.5mm。移動(dòng)坡臺(tái)載荷取P=50KN，估算輪胎與斜面的接觸面積大約為100mm×200mm。則分布在四邊簡支空格上方表面的均布荷載為：

彎曲剛度為D=3400。因此，對(duì)于最大撓度的計(jì)算，公式（1）的級(jí)數(shù)收斂很快，我們只?。╩,n）的組合的（1,1）、（3,1）、（1,3），忽略其他高階項(xiàng)。則求得最大撓度為：ωMAX=0.097mm

四邊簡支空格上方表面彎曲形變產(chǎn)生的斜面其最大的傾角為：

參照汽車檢測(cè)設(shè)備的檢定技術(shù)條件要求（制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)的示值誤差為±3%），可計(jì)算移動(dòng)坡臺(tái)傾斜面與底面之間夾角的誤差范圍。設(shè)實(shí)際的傾斜角為γ，車輛重力沿斜面方向分力為Gsinγ；對(duì)于20%坡度的坡臺(tái)，設(shè)移動(dòng)坡臺(tái)高為x，長為5x（按照國家標(biāo)準(zhǔn)），則傾斜角θ=tan-1（0.2），θ=11.31°。由誤差計(jì)算公式：

得出移動(dòng)坡臺(tái)斜坡傾斜角允許的取值范圍為：γ=10.97°~11.65°，彎曲形變最大傾角可達(dá)0.34°；同理，對(duì)于15%坡度的坡臺(tái)，傾斜角θ=8.53°，γ的取值范圍為：γ=8.25°~8.77°，彎曲形變最大傾角為 0.24°。

由此可見，四邊簡支空格上方彎曲形變產(chǎn)生的最大傾角（0.057°）在合理的誤差范圍之內(nèi)。

2.2 軟件模擬結(jié)果分析

利用UG NX8.5軟件，我們模擬出 20%坡度的移動(dòng)坡臺(tái)的應(yīng)力分布和形變量，如圖3所示：

圖3 20%坡度的移動(dòng)坡臺(tái)所受應(yīng)力圖（左）和形變量圖（右）

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)均布載荷為均布荷載為q0=2.45×106N/m2時(shí)，最大的形變量為 0.0834mm，與理論計(jì)算較一致，也符合理論對(duì)誤差范圍的要求。在對(duì)樣品的實(shí)際測(cè)試表明，其形變量在0.1mm以內(nèi)，仍符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)然，對(duì)于實(shí)際采用的 SMC材料，由于很難測(cè)定其準(zhǔn)確的彎曲強(qiáng)度，因此無法對(duì)形變量做定量對(duì)比，有待將來進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)

根據(jù)實(shí)際車輛軸距的尺寸，我們計(jì)算了適合實(shí)際檢驗(yàn)的移動(dòng)坡臺(tái)的尺寸，試驗(yàn)并找到了制作移動(dòng)坡臺(tái)的合適的材料。從理論和計(jì)算機(jī)模擬方面分別得到了移動(dòng)坡臺(tái)的相關(guān)力學(xué)性能。結(jié)果表明，在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大載荷作用下，樣品的最大形變量在允許的誤差范圍內(nèi)，從而為樣品作為機(jī)動(dòng)車駐車制動(dòng)檢驗(yàn)提供有力的技術(shù)支持，為將來的實(shí)際應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

[1] GB 7258-2012, 機(jī)動(dòng)車安全運(yùn)行技術(shù)條件[S].

[2] GB21861-2014, 機(jī)動(dòng)車安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法[S].

[3] 曹偉平, 武旭平, 麻偉明, 藍(lán)岳明. 關(guān)于汽車駐車制動(dòng)性能檢驗(yàn)三種模型的差異分析[J]. 科技資訊, 2014, 36: 61-62.

[4] 麻偉明, 武學(xué)平, 曹偉平, 藍(lán)岳明. 小型駐車制動(dòng)檢驗(yàn)坡臺(tái)可行性分析[J]. 汽車維護(hù)與修理, 2015, 2: 77-78.

[5] 張宏. 應(yīng)用彈塑性力學(xué). 西安. 西北工業(yè)大學(xué)出版社[M]. 54-65.

[6] 耿廣銳, 郎寶永, 陳世明. 基于 OptiStruct 形貌優(yōu)化分析技術(shù)的商用車發(fā)動(dòng)機(jī)油 底殼設(shè)計(jì)方法[C] Altair 2012 HyperWorks 技術(shù)大會(huì). 2012.

[7] GB/T 1449-2005. 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法[S].

[8] GB/T 15568-2008. 通用型片狀塑料膜（SMC）[S].

[9] 劉明威. 工程力學(xué). 武漢. 武漢大學(xué)出版社[M]. 368-405.

Model and deflection analysis of mobile slope station to test parking brake

Teng Qiaolan, Cao Weiping
( 1.College of Engineering, Lishui University, Zhejiang Lishui 323000; 2.Lishui Lvgucheying Science and Technology Ltd., Zhejiang Lishui 323000 )

Through theoretical calculation and simulation, we analyze mechanical property of mobile slope station manufactured by composite materials with two slopes of 20% and 15%, respectively. The results show that the qualification of the mobile slope station is coincident with national standards. The calculation results of deflection indicate that the maximum angle caused by deformation is in a reasonable error range. The simulation results also indicate that deformation degree of mobile slope station bearing 50kN is in accord with theoretical calculation. These conclusions provide the technical support to mobile slope station as a testing instrument for parking brake of motor vehicles.

Mobile slope station; Parking brake; Composite material; Deflection

CLC NO.: U465.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-189-03

U465.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-189-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.063

曹偉平，男，副教授，博士，就職于麗水學(xué)院。基金項(xiàng)目：本研究得到麗水市高層次人才項(xiàng)目（2014RC28）的資助。