張靈曉+喬常鑫

摘要：介紹了一種新型雙前驅(qū)三支點(diǎn)電動(dòng)叉車的車架結(jié)構(gòu)，利用CATIA軟件平臺(tái)，對(duì)車架進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過(guò)中性格式STP文件類型將實(shí)體數(shù)模導(dǎo)入ABAQUS軟件環(huán)境中，采用TIE約束處理車架焊接問(wèn)題，利用ABAQUS/Standard求解器計(jì)算分析極限工況下車架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，為未來(lái)電動(dòng)叉車新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)提供相關(guān)依據(jù)。

Abstract： This paper introduces the frame structure of a new type of three wheel electric with dual front wheel drive， using CATIA to carry out 3D solid modeling of frame， the entity digital model is imported into ABAQUS software environment through STP format， using TIE constraint to deal with welding problem of frame， using ABAQUS/Standard solver to calculate and analyze the strength and rigidity of the key frame of the frame under the limit condition， to provide the relevant basis for the future R & D of new electric forklift products.

關(guān)鍵詞：雙前驅(qū)三支點(diǎn)電動(dòng)叉車車架強(qiáng)度；ABAQUS/Standard ；有限元分析

Key words： Three wheel electric with dual front wheel drive frame strength；ABAQUS/Standard；finite element analysis

中圖分類號(hào)：TH242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0104-02

1 雙前驅(qū)三支點(diǎn)電動(dòng)叉車特點(diǎn)

電動(dòng)叉車以電為動(dòng)力，具有綠色環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行成本低廉、易操作等特點(diǎn)。三支點(diǎn)電動(dòng)叉車，由于整車尺寸小，機(jī)動(dòng)性高，轉(zhuǎn)向靈活，可以實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)向，特別適合在通道空間狹小的冷庫(kù)、貨倉(cāng)等封閉區(qū)域進(jìn)行物料轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)，可以最大化地滿足企業(yè)需求。

雙前驅(qū)電動(dòng)叉車有別于一般的單驅(qū)電動(dòng)叉車，它由兩個(gè)前輪邊驅(qū)動(dòng)單元組成，每個(gè)單元分別由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)輪邊減速器直接驅(qū)動(dòng)前輪運(yùn)行。叉車轉(zhuǎn)彎時(shí)，主控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向橋上轉(zhuǎn)向傳感器輸出的轉(zhuǎn)角大小及方向分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，從而實(shí)現(xiàn)叉車的原地90°轉(zhuǎn)向功能。

2 雙前驅(qū)三支點(diǎn)電動(dòng)叉車車架結(jié)構(gòu)

雙前驅(qū)電動(dòng)叉車在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上取消了直接焊接在車架上的燃油箱，為了滿足狹小空間作業(yè)要求，同時(shí)保證電池續(xù)航時(shí)間，需要在整車尺寸較小的車架內(nèi)部預(yù)留較大空間用來(lái)布置大容量電池模組以及電控系統(tǒng)，這勢(shì)必會(huì)影響到整車車架強(qiáng)度，因此，車架的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算分析顯得尤為重要。

某型1.6T三支點(diǎn)純電動(dòng)叉車車架由前驅(qū)動(dòng)橋安裝總成、后轉(zhuǎn)向橋安裝總成、左右車身總成幾部分拼裝焊接而成。工作裝置底部與前橋安裝總成下部的門架安裝支架通過(guò)銷軸鉸接，工作裝置的中部通過(guò)傾斜油缸與焊接在車架上的油缸安裝底座鉸接。

當(dāng)叉車滿載工作時(shí)，車架上的門架安裝支架承載了工作裝置大部分的載荷，該部分的強(qiáng)度直接影響到整個(gè)工作裝置的安全。在設(shè)計(jì)中，為了加強(qiáng)門架安裝支架的抗彎曲強(qiáng)度強(qiáng)度以及整個(gè)前橋安裝總成的剛度，左右門架安裝支架之間焊有加強(qiáng)桿。

為了布置較大體積的電池模組，車架為中空的電池倉(cāng)。載荷只能門架安裝支架，左、右車身側(cè)板傳遞到后橋總成的配重體。左、右車身側(cè)板為厚度6mm的Q235鋼板，為了保證其強(qiáng)度，其內(nèi)部焊有折彎的加強(qiáng)板，如圖1所示。左、右車身側(cè)板為聯(lián)結(jié)叉車前后總成的重要總成部件，它的強(qiáng)度對(duì)整個(gè)叉車車架的強(qiáng)度及剛度起到至關(guān)重要的作用，因此，在進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí)我們應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注這一區(qū)域的受力情況。

3 雙前驅(qū)三支點(diǎn)電動(dòng)叉車車架有限元模型建立

3.1 實(shí)體模型導(dǎo)入

利用CATIA對(duì)車架進(jìn)行實(shí)體建模，將模型導(dǎo)入ABAQUS之前，需要對(duì)數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略對(duì)整理強(qiáng)度影響較小的零部件，同時(shí)刪除不必要零部件細(xì)節(jié)如：5mm以下圓孔、螺紋孔、尖角、凸臺(tái)等等。

模型導(dǎo)入后，變形體的每個(gè)區(qū)域必須指定一個(gè)包含材料定義的截面屬性。由于車架零件材料主要為Q235A鋼板，同時(shí)為滿足強(qiáng)度要求，部分零件如門架安裝支架、驅(qū)動(dòng)橋安裝板、傾斜油缸安裝支架、配重塊安裝支架等采用Q345。

3.2 工況分析

叉車作業(yè)中有多種復(fù)雜工況，其中一種較為普遍的惡劣工況為當(dāng)叉車滿載貨物勻速行駛時(shí)，由于載貨自重，整車重心將前移，車架受到來(lái)自載重及工作裝置重力產(chǎn)生的翻倒力矩，車身將發(fā)生傾翻趨勢(shì)。

車架自重以及配重體重力產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩Mwd與載重及工作裝置重力產(chǎn)生的翻倒力矩Mft的比值K為稱為穩(wěn)定系數(shù)。當(dāng)穩(wěn)定系數(shù)K<1時(shí)，叉車將發(fā)生傾翻。當(dāng)K=1時(shí)，叉車處于平衡的臨界狀態(tài)，其后輪與與地面之間的作用力為0。此時(shí)，由于傾翻力矩與穩(wěn)定力矩的共同作用，叉車車架將產(chǎn)生彎曲變形，即彎曲工況。

3.3 網(wǎng)格劃分和施加邊界條件

對(duì)于本分析模型，采用20節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元（C3D20R），對(duì)于部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，大部分形狀相對(duì)復(fù)雜的零件采用掃掠網(wǎng)格劃分。對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注的門架安裝支架、車身側(cè)板等區(qū)域，適當(dāng)提高網(wǎng)格密度，以提高模擬的精度。建立的車架有限元模型，共計(jì)27354單元。endprint

彎曲工況下，前輪為支撐點(diǎn)，左、右驅(qū)動(dòng)橋通過(guò)螺栓分別固定于車架的前驅(qū)動(dòng)橋安裝總成上。首先對(duì)車架的左、右驅(qū)動(dòng)橋安裝板分別進(jìn)行如下約束：YSYMM（U2=UR1=UR3=0）；其次對(duì)后橋安裝總成限制U2（垂直方向）的平移自由度。對(duì)車架施加載荷時(shí)，選擇Mechanical作為分析類型和Pressure作為具體形式施加。

由于車架是拼裝焊接而成，因此需要對(duì)焊接件進(jìn)行約束處理。應(yīng)用Interaction模塊中選擇TIE約束，對(duì)車架模型的中焊接零件綁定在一起，使二者之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于焊在一起。

4 有限元分析結(jié)果

車架整體的應(yīng)力云圖如圖2所示，計(jì)算結(jié)果表明，在彎曲工況下，車架呈現(xiàn)出了沿U2（車架縱向）方向的彎曲變形。最大應(yīng)力區(qū)域?yàn)榍拜喺职迮c車身側(cè)板焊接區(qū)域，最大應(yīng)力為178.3MPa。門架安裝支架與驅(qū)動(dòng)橋安裝板的焊接區(qū)域應(yīng)力接近于最大應(yīng)力值。設(shè)計(jì)時(shí)，須重點(diǎn)關(guān)注這兩處的強(qiáng)度：一方面適當(dāng)增加這兩個(gè)區(qū)域板材的厚度，選用強(qiáng)度更高的Q345；另一方面，適當(dāng)提高此處焊縫高度，確保焊縫強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

由于該工況較為惡劣，車架前橋安裝總成變形較大，最大變形點(diǎn)位于前輪罩板處，最大變形量為0.354mm。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮增加車架的整體剛度，將護(hù)頂架前后端分別焊接在車架的前輪罩板與后橋安裝總成上，形成封閉式的框架結(jié)構(gòu)，如圖3所示，以保證車架的整體剛度。

5 結(jié)論

本文以某型1.6T雙前驅(qū)三支點(diǎn)電動(dòng)叉車車架為例，討論分析了典型工況下車架受力情況以及在Abaqus軟件中對(duì)車架載荷、約束施加方法，利用Abaqus/Standard求解器，對(duì)車架進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，車架的較大應(yīng)力位于主要的承載零部件處--前橋安裝總成以及車身側(cè)板總成等，車架的強(qiáng)度以及剛度滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，為了提高車架的整體強(qiáng)度以及剛度，提出了在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的一些問(wèn)題。為后續(xù)雙前驅(qū)電動(dòng)叉車的車架設(shè)計(jì)提供相關(guān)的參考依據(jù)。

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