【正文】 1緒 論 車輛超載是指運輸車輛所載的貨物質(zhì)量超過了額定裝載質(zhì)量的情況,車輛超載有著以下主要危害： ，按照國際上通用的計算方法，汽車軸載質(zhì)量對公路路面的破壞關(guān)系服從“十六次方法則”，即汽車軸載質(zhì)量每增加一倍，公路受損將增加16倍。全國公路每年因車輛超載造成的損失超過300億元。 ，汽車超載之后，車輛處于超負(fù)荷狀態(tài)行駛，會導(dǎo)致車輛的制動和操作性等安全性能迅速下降，表現(xiàn)為輪胎變形爆胎、剎車失靈、轉(zhuǎn)向器輕飄抖動、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，我國現(xiàn)代交通運輸業(yè)取得了快速發(fā)展。與此同時，道路交通事故卻頻頻發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，在2001年至2010年這10年里，我國已經(jīng)有近90萬人死于各類道路交通事故。在統(tǒng)計的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，并且全國公路每年因車輛超載造成的損失超過300億元，因此對汽車超載的研究已是刻不容緩。 國外汽車超載研究 20 世紀(jì)，在國外幾乎所有的國家都存在汽車超載運輸?shù)默F(xiàn)象，據(jù)調(diào)查美國和德國的貨運汽車中汽車超載的數(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，國外許多國家如美國、韓國、日本等國都在開始研究汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)，想通過利用汽車動態(tài)稱重技術(shù)來避免汽車超載對公路造成早期破壞等，并取得相應(yīng)的成果。美國約有 1000 多個動態(tài)稱重站，采用照相機和路邊控制器技術(shù)，并與高速公路巡警車中的筆記本計算機相連接，對貨車進(jìn)行檢查，可以及時觀察數(shù)據(jù)和鑒別超載車輛的身份。日本廣泛使用固定或移動稱重設(shè)備對超限車輛進(jìn)行檢測。在高速公路收費站設(shè)有電子秤測量軸載。大型貨車還要安裝貨物自動測重儀。韓國從1973 年7月開始對重車實行重點檢查。1994 年10月，超限超載車輛過多導(dǎo)致圣水大橋坍塌后，韓國政府進(jìn)一步加大了治理力度，在全國設(shè)立400余個超限超載檢測站（點）。圖 為一種韓國的超載監(jiān)控系統(tǒng)。車輛通過電子稱重設(shè)備來檢測重量，通過車輛識別系統(tǒng)來識別車輛型號，通過網(wǎng)絡(luò)中的 PC 機來判斷車輛是否超載，如一旦超載系統(tǒng)將自動對超載的車輛進(jìn)行照相，以作為懲罰的依據(jù)。 韓國超載監(jiān)控系統(tǒng)許多先進(jìn)國家都先后采用了超限運輸車輛檢測與限制（控制）技術(shù)，完善管理對策，來解決超限超載問題，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。國外卡車多采用空氣彈簧，車輛超載不能行駛。在裝卸、搬運的過程中其附屬設(shè)施已嚴(yán)格地限制了超載超限情況的發(fā)生，比如集裝箱運輸車，由貨場的吊車的起重量限制了車輛的載貨量；加大監(jiān)控力度，在路口設(shè)置超載檢測設(shè)備，檢測車輛是否超載；制定相應(yīng)法規(guī)，嚴(yán)厲制裁超載相關(guān)人員。 國內(nèi)汽車超載研究 國內(nèi)在超載檢測技術(shù)方面起步晚，還處于探索階段。20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)了帶基坑和無基坑的電子汽車衡，其中帶基坑的電子汽車衡對道路破壞較大，介紹了主要基于懸臂梁式稱重傳感器的電子汽車衡。對于治理超載，國內(nèi)一般還是在道路入口安裝稱重系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)稱重，作為主要手段。如圖 DCS 固定式超限檢測/計重收費系統(tǒng)。 DCS系統(tǒng)實景圖 同時，我國也開始引進(jìn)國外汽車載荷監(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 PAT 載荷監(jiān)控產(chǎn)品，同年獲得了國家級《計量器具型式批準(zhǔn)證書》。總體而言，國內(nèi)對超載控制大多是通過一些相關(guān)的政策實現(xiàn)，對超載檢測技術(shù)研究起步晚、時間也比較短，盡管也對動態(tài)稱重系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但是研究過程中，對諸多影響汽車動態(tài)稱重的因素分析不深入，而只是進(jìn)行了簡單的處理，導(dǎo)致檢測精度不高。所以目前國內(nèi)在研究的同時，也積極引進(jìn)國外關(guān)于超載檢測的技術(shù)，如南京長江二橋上安裝的汽車稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)就屬于典型國外高精度產(chǎn)品，但這類產(chǎn)品開發(fā)代價太高，在我國實現(xiàn)推廣不切實際，同時還存在超限標(biāo)準(zhǔn)與我國實際情況不一致等問題。 本論文主要內(nèi)容 本論文涉及一基于單片機設(shè)計的機車超載檢測系統(tǒng)，選擇載重汽車EQ1090E為研究對象，首先利用Ansys軟件對其車架進(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)變片安裝在車架的最大受力處。然后設(shè)計合理的報警系統(tǒng)，該超載報警系統(tǒng)采用80C51單片機作為系統(tǒng)處理的核心，由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、電子開關(guān)、聲音報警器、閃光燈報警器以及自動上鎖裝置控制系統(tǒng)電路組成。要求當(dāng)汽車超載時，報警系統(tǒng)啟動，并對汽車的點火系統(tǒng)進(jìn)行通斷控制，使汽車不能正常啟動。 擬解決的關(guān)鍵問題 本系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題如下： （1）對車架進(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架最大受力處。 （3）當(dāng)車輛在行駛中，不超載的汽車由于路面顛簸而發(fā)出錯誤警報。 （4）設(shè)計合理的報警系統(tǒng)，并能使汽車在超載情況下不能正常啟動。2 汽車車架的受力分析汽車車架俗稱“大梁”。它是整個汽車的裝配基礎(chǔ)，其上裝有發(fā)動機、變速器、傳動軸、前后橋、車身等部件。車架的功用是支撐、連接汽車的各部件，使各部件保持相對正確的位置，并承受汽車內(nèi)外載荷。圖1為載重汽車EQ1090E型汽車車架: 由兩根縱梁和八根橫梁鉚接而成, 又稱階梯形車架。 EQ1090E型汽車車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。橫梁不僅是用來保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷, 而且還可以支撐汽車上主要部件。該汽車載重5t，車架前后等寬，寬度為865mm?？v梁長6700mm，最大剖面尺寸為：235758mm（高寬厚）。由于Pro/E強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)境下實體建模。 Pro/E能夠完成特征建模、參數(shù)化設(shè)計、零件實體造型及裝配造型、完整工程圖產(chǎn)生等工作。通過標(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配置的開發(fā)模塊或利用C語言，用戶也可以擴展與增強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、槽、倒角、腔、殼等特征。模型創(chuàng)建過程就是按照一定順序以“搭積木”的方式添加各類特征的過程，通過構(gòu)建不同的特征建立幾何模型。 （2）參數(shù)化設(shè)計 參數(shù)化設(shè)計是指設(shè)計者只需抓住圖形的某一個典型特點繪出圖形的大致形狀，通過向圖形添加適當(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 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”、“對齊”等，將基本零件裝配起來，形成組合件。（4）整個設(shè)計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)完全相關(guān) 在整個設(shè)計過程，Pro/E各個模塊共享模型的數(shù)據(jù)庫文件，在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處數(shù)據(jù)修改了，整個設(shè)計中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)也隨之自動修改。： 車架的三維實體簡易模型 車架的ANSYS有限元分析 有限元是一種把連續(xù)的結(jié)構(gòu)分成很多個單元，即利用單元分析的結(jié)果來得出結(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: (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，在單元描述材料特性時，可以任意的按照物體的實際情況而定。所以不用考慮各結(jié)構(gòu)之間的影響。 (3)在有限元分析時，工程人員可以根據(jù)物體的實際載荷與約束情況下，對該物體進(jìn)行多種工況下的分析，這樣大大提高了工程項目的效率，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模擬計算時，這些單元各自的運算公式是一樣的，這樣在計算時，使模擬計算更加快速，也方便在計算機上統(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，讓工程項目快速的解決，因些有限元分析不能在計算機中模擬計算的太慢。 有限元分析軟件主要是在50前發(fā)展起來的，它們的由來也是因為有限元方法的發(fā)展而來的。這些軟件可以通過有限元分析，可以很容易計算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變值，碰撞值等。這樣致使軟件公司開發(fā)了很多軟件，比如:ABAQUS、MARC、SAP、ASKA、ANSYS、NASTRAN、HYPERWORKS等。本設(shè)計采用的是ANSYS軟件對車架進(jìn)行有限元分析。 ANSYS簡介 ANSYS公司是由美國著名力學(xué)專家美國匹茲堡大學(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多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計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強大的實體建模及網(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：實體建模和網(wǎng)格劃分。 （2）分析計算模塊析計算模塊包括結(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）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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，也可將計算結(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，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 在汽車行業(yè)中，ANSYS廣泛應(yīng)用于各大汽車總成，包括車架、車身、車橋、離合器、輪胎、殼體等零部件以及整車的通過性和平順性的分析，大大提高了汽車的設(shè)計水平，正在成為設(shè)計計算的強有力工具