【正文】 1緒 論 車(chē)輛超載是指運(yùn)輸車(chē)輛所載的貨物質(zhì)量超過(guò)了額定裝載質(zhì)量的情況,車(chē)輛超載有著以下主要危害： ，按照國(guó)際上通用的計(jì)算方法，汽車(chē)軸載質(zhì)量對(duì)公路路面的破壞關(guān)系服從“十六次方法則”，即汽車(chē)軸載質(zhì)量每增加一倍，公路受損將增加16倍。全國(guó)公路每年因車(chē)輛超載造成的損失超過(guò)300億元。 ，汽車(chē)超載之后，車(chē)輛處于超負(fù)荷狀態(tài)行駛，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的制動(dòng)和操作性等安全性能迅速下降，表現(xiàn)為輪胎變形爆胎、剎車(chē)失靈、轉(zhuǎn)向器輕飄抖動(dòng)、鋼板彈簧折斷、半軸斷裂等等。 而在近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)現(xiàn)代交通運(yùn)輸業(yè)取得了快速發(fā)展。與此同時(shí)，道路交通事故卻頻頻發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2001年至2010年這10年里，我國(guó)已經(jīng)有近90萬(wàn)人死于各類道路交通事故。在統(tǒng)計(jì)的25起特大交通事故中，超載導(dǎo)致的事故為14起，占比56%，是所有事故原因中最多的，并且全國(guó)公路每年因車(chē)輛超載造成的損失超過(guò)300億元，因此對(duì)汽車(chē)超載的研究已是刻不容緩。 國(guó)外汽車(chē)超載研究 20 世紀(jì)，在國(guó)外幾乎所有的國(guó)家都存在汽車(chē)超載運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象，據(jù)調(diào)查美國(guó)和德國(guó)的貨運(yùn)汽車(chē)中汽車(chē)超載的數(shù)量都在 50%左右，而情況稍好的日本也達(dá)到 20%。為此，20 世紀(jì) 50 年代，國(guó)外許多國(guó)家如美國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)都在開(kāi)始研究汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，想通過(guò)利用汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)來(lái)避免汽車(chē)超載對(duì)公路造成早期破壞等，并取得相應(yīng)的成果。美國(guó)約有 1000 多個(gè)動(dòng)態(tài)稱重站，采用照相機(jī)和路邊控制器技術(shù)，并與高速公路巡警車(chē)中的筆記本計(jì)算機(jī)相連接，對(duì)貨車(chē)進(jìn)行檢查，可以及時(shí)觀察數(shù)據(jù)和鑒別超載車(chē)輛的身份。日本廣泛使用固定或移動(dòng)稱重設(shè)備對(duì)超限車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)。在高速公路收費(fèi)站設(shè)有電子秤測(cè)量軸載。大型貨車(chē)還要安裝貨物自動(dòng)測(cè)重儀。韓國(guó)從1973 年7月開(kāi)始對(duì)重車(chē)實(shí)行重點(diǎn)檢查。1994 年10月，超限超載車(chē)輛過(guò)多導(dǎo)致圣水大橋坍塌后，韓國(guó)政府進(jìn)一步加大了治理力度，在全國(guó)設(shè)立400余個(gè)超限超載檢測(cè)站（點(diǎn)）。圖 為一種韓國(guó)的超載監(jiān)控系統(tǒng)。車(chē)輛通過(guò)電子稱重設(shè)備來(lái)檢測(cè)重量，通過(guò)車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)來(lái)識(shí)別車(chē)輛型號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的 PC 機(jī)來(lái)判斷車(chē)輛是否超載，如一旦超載系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)超載的車(chē)輛進(jìn)行照相，以作為懲罰的依據(jù)。 韓國(guó)超載監(jiān)控系統(tǒng)許多先進(jìn)國(guó)家都先后采用了超限運(yùn)輸車(chē)輛檢測(cè)與限制（控制）技術(shù)，完善管理對(duì)策，來(lái)解決超限超載問(wèn)題，并取得了較好的效果。為從根本上遏制超載現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)采取了相應(yīng)措施，主要體現(xiàn)在從源頭上杜絕超載現(xiàn)象產(chǎn)生的可能。國(guó)外卡車(chē)多采用空氣彈簧，車(chē)輛超載不能行駛。在裝卸、搬運(yùn)的過(guò)程中其附屬設(shè)施已嚴(yán)格地限制了超載超限情況的發(fā)生，比如集裝箱運(yùn)輸車(chē)，由貨場(chǎng)的吊車(chē)的起重量限制了車(chē)輛的載貨量；加大監(jiān)控力度，在路口設(shè)置超載檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)車(chē)輛是否超載；制定相應(yīng)法規(guī)，嚴(yán)厲制裁超載相關(guān)人員。 國(guó)內(nèi)汽車(chē)超載研究 國(guó)內(nèi)在超載檢測(cè)技術(shù)方面起步晚，還處于探索階段。20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)了帶基坑和無(wú)基坑的電子汽車(chē)衡，其中帶基坑的電子汽車(chē)衡對(duì)道路破壞較大，介紹了主要基于懸臂梁式稱重傳感器的電子汽車(chē)衡。對(duì)于治理超載，國(guó)內(nèi)一般還是在道路入口安裝稱重系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)稱重，作為主要手段。如圖 DCS 固定式超限檢測(cè)/計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)。 DCS系統(tǒng)實(shí)景圖 同時(shí)，我國(guó)也開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外汽車(chē)載荷監(jiān)控方面的技術(shù)，如云南航天新技術(shù)工程有限公司年與 1999 年引進(jìn)了德國(guó) PAT 載荷監(jiān)控產(chǎn)品，同年獲得了國(guó)家級(jí)《計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書(shū)》。總體而言，國(guó)內(nèi)對(duì)超載控制大多是通過(guò)一些相關(guān)的政策實(shí)現(xiàn)，對(duì)超載檢測(cè)技術(shù)研究起步晚、時(shí)間也比較短，盡管也對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但是研究過(guò)程中，對(duì)諸多影響汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱重的因素分析不深入，而只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的處理，導(dǎo)致檢測(cè)精度不高。所以目前國(guó)內(nèi)在研究的同時(shí)，也積極引進(jìn)國(guó)外關(guān)于超載檢測(cè)的技術(shù)，如南京長(zhǎng)江二橋上安裝的汽車(chē)稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)就屬于典型國(guó)外高精度產(chǎn)品，但這類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)代價(jià)太高，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)推廣不切實(shí)際，同時(shí)還存在超限標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)實(shí)際情況不一致等問(wèn)題。 本論文主要內(nèi)容 本論文涉及一基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)車(chē)超載檢測(cè)系統(tǒng)，選擇載重汽車(chē)EQ1090E為研究對(duì)象，首先利用Ansys軟件對(duì)其車(chē)架進(jìn)行受力分析，找出其最大受力處。選擇電阻應(yīng)變式傳感器，將應(yīng)變片安裝在車(chē)架的最大受力處。然后設(shè)計(jì)合理的報(bào)警系統(tǒng)，該超載報(bào)警系統(tǒng)采用80C51單片機(jī)作為系統(tǒng)處理的核心，由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、電子開(kāi)關(guān)、聲音報(bào)警器、閃光燈報(bào)警器以及自動(dòng)上鎖裝置控制系統(tǒng)電路組成。要求當(dāng)汽車(chē)超載時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，并對(duì)汽車(chē)的點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行通斷控制，使汽車(chē)不能正常啟動(dòng)。 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 本系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下： （1）對(duì)車(chē)架進(jìn)行有限元分析，找到其最大受力處。 （2） 根據(jù)量程和使用環(huán)境選擇合適的傳感器，并將傳感器安放在車(chē)架最大受力處。 （3）當(dāng)車(chē)輛在行駛中，不超載的汽車(chē)由于路面顛簸而發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)。 （4）設(shè)計(jì)合理的報(bào)警系統(tǒng)，并能使汽車(chē)在超載情況下不能正常啟動(dòng)。2 汽車(chē)車(chē)架的受力分析汽車(chē)車(chē)架俗稱“大梁”。它是整個(gè)汽車(chē)的裝配基礎(chǔ)，其上裝有發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、前后橋、車(chē)身等部件。車(chē)架的功用是支撐、連接汽車(chē)的各部件，使各部件保持相對(duì)正確的位置，并承受汽車(chē)內(nèi)外載荷。圖1為載重汽車(chē)EQ1090E型汽車(chē)車(chē)架: 由兩根縱梁和八根橫梁鉚接而成, 又稱階梯形車(chē)架。 EQ1090E型汽車(chē)車(chē)架示意圖縱梁通常用16Mn的鋼板沖壓而成, 端面形狀一般是槽型。橫梁不僅是用來(lái)保證車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷, 而且還可以支撐汽車(chē)上主要部件。該汽車(chē)載重5t，車(chē)架前后等寬，寬度為865mm?？v梁長(zhǎng)6700mm，最大剖面尺寸為：235758mm（高寬厚）。由于Pro/E強(qiáng)大的建模建模能力及導(dǎo)入到ANSYS中非常容易，所以選擇在Pro/E的環(huán)境下實(shí)體建模。 Pro/E能夠完成特征建模、參數(shù)化設(shè)計(jì)、零件實(shí)體造型及裝配造型、完整工程圖產(chǎn)生等工作。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式，Pro/E可以輸出三維或二維圖形用于其它應(yīng)用軟件。使用Pro/E配置的開(kāi)發(fā)模塊或利用C語(yǔ)言，用戶也可以擴(kuò)展與增強(qiáng)Pro/E的功能。Pro/E的基本功能是： （1）特征建模 在Pro/E中，特征是組成模型的基本單位，如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等特征。模型創(chuàng)建過(guò)程就是按照一定順序以“搭積木”的方式添加各類特征的過(guò)程，通過(guò)構(gòu)建不同的特征建立幾何模型。 （2）參數(shù)化設(shè)計(jì) 參數(shù)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者只需抓住圖形的某一個(gè)典型特點(diǎn)繪出圖形的大致形狀，通過(guò)向圖形添加適當(dāng)?shù)募s束條件規(guī)范其形狀，最后修改圖形的尺寸數(shù)值，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)再生即可獲得需要的圖形。（3）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì) Pro/E支持大型、復(fù)雜組合件的構(gòu)造和管理，可以利用一些直觀的命令，如“嚙合”、“插入”、“對(duì)齊”等，將基本零件裝配起來(lái)，形成組合件。（4）整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)完全相關(guān) 在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，Pro/E各個(gè)模塊共享模型的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某一處數(shù)據(jù)修改了，整個(gè)設(shè)計(jì)中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)也隨之自動(dòng)修改。： 車(chē)架的三維實(shí)體簡(jiǎn)易模型 車(chē)架的ANSYS有限元分析 有限元是一種把連續(xù)的結(jié)構(gòu)分成很多個(gè)單元，即利用單元分析的結(jié)果來(lái)得出結(jié)構(gòu)的整體性能的方法。與傳統(tǒng)分析方法相比較，有限元法具有以下特點(diǎn): (l)不用管分析物體的CAD形狀，可以利用有限元多單元進(jìn)行描述，因此該方法能適合多種多樣的工程結(jié)構(gòu)。 (2)利用有限元法時(shí)，在單元描述材料特性時(shí)，可以任意的按照物體的實(shí)際情況而定。所以不用考慮各結(jié)構(gòu)之間的影響。 (3)在有限元分析時(shí)，工程人員可以根據(jù)物體的實(shí)際載荷與約束情況下，對(duì)該物體進(jìn)行多種工況下的分析，這樣大大提高了工程項(xiàng)目的效率，還可以從中發(fā)現(xiàn)載荷與約束之間的相互關(guān)系。 (4)有限元的各種單元用來(lái)模擬計(jì)算時(shí)，這些單元各自的運(yùn)算公式是一樣的，這樣在計(jì)算時(shí)，使模擬計(jì)算更加快速，也方便在計(jì)算機(jī)上統(tǒng)一編程，易于將程序編成模塊式結(jié)構(gòu)。(5)有限元分析方法最終的目的是，讓工程項(xiàng)目快速的解決，因些有限元分析不能在計(jì)算機(jī)中模擬計(jì)算的太慢。 有限元分析軟件主要是在50前發(fā)展起來(lái)的，它們的由來(lái)也是因?yàn)橛邢拊椒ǖ陌l(fā)展而來(lái)的。這些軟件可以通過(guò)有限元分析，可以很容易計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變值，碰撞值等。這樣致使軟件公司開(kāi)發(fā)了很多軟件，比如:ABAQUS、MARC、SAP、ASKA、ANSYS、NASTRAN、HYPERWORKS等。本設(shè)計(jì)采用的是ANSYS軟件對(duì)車(chē)架進(jìn)行有限元分析。 ANSYS簡(jiǎn)介 ANSYS公司是由美國(guó)著名力學(xué)專家美國(guó)匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授John Swanson博士于1970年創(chuàng)建并發(fā)展起來(lái)的，是目前世界CAE行業(yè)中最大的公司。ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 （1）前處理模塊前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。 （2）分析計(jì)算模塊析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。 （3）后處理模塊后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 在汽車(chē)行業(yè)中，ANSYS廣泛應(yīng)用于各大汽車(chē)總成，包括車(chē)架、車(chē)身、車(chē)橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及整車(chē)的通過(guò)性和平順性的分析，大大提高了汽車(chē)的設(shè)計(jì)水平，正在成為設(shè)計(jì)計(jì)算的強(qiáng)有力工具