高永偉 陸鳴 張繼剛 陳林

杭州恒宏機(jī)械有限公司 浙江杭州311232

1t SUV輕量化自動(dòng)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高永偉 陸鳴 張繼剛 陳林

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針對(duì)裝備有特殊儀器的小型車輛在作業(yè)時(shí)需要車身穩(wěn)固支撐的情況，提出了采用輕量化自動(dòng)支撐系統(tǒng)的解決方案，并采用有限元分析，對(duì)支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

自動(dòng)支撐 有限元分析 輕量化

1 前言

目前，車載支撐裝置主要有液壓電控和機(jī)械電控的兩種形式。液壓電控形式在工程車輛、起重機(jī)械和建筑機(jī)械等設(shè)備上應(yīng)用較廣，但對(duì)于調(diào)平要求較高的車輛或平臺(tái)，往往采用液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，它的缺點(diǎn)是液壓系統(tǒng)需一直處于工作狀態(tài)，即使采用液壓鎖也不能保證平臺(tái)較長時(shí)間處于高精度位置參數(shù)要求的穩(wěn)定狀態(tài)，而且液壓裝置需要額外的液壓動(dòng)力源，對(duì)于小型車輛而言，尚不具備如此寬敞的空間。

本文介紹的輕量化自動(dòng)支撐系統(tǒng)采用電動(dòng)控制，節(jié)省了安裝空間，同時(shí)輕量化設(shè)計(jì)減少了車輛載荷。該系統(tǒng)使車輛在特殊情況下利用電動(dòng)折彎支腿實(shí)現(xiàn)輔助支撐，從而使車輛具有底盤穩(wěn)固、防盜和防止車輛輪胎老化等功能。

2 輕量化自動(dòng)支撐系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)

下面結(jié)合圖1對(duì)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明。電動(dòng)折彎支腿主要由帶霍爾計(jì)數(shù)傳感器的電機(jī)、齒輪減速箱、滾珠絲桿副、支撐臂及彈簧組成。當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿螺母下行時(shí)，支腿呈伸展?fàn)顟B(tài)，在支腿底腳落地后，支腿負(fù)載產(chǎn)生變化，此時(shí)控制箱通過檢測電機(jī)電流變化判斷支腿落地情況，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行短接以確保滾珠絲桿不會(huì)因負(fù)載過大而造成翻轉(zhuǎn)。

圖1 折彎原理示意圖

當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿螺母上行時(shí)，支腿呈收縮狀態(tài)，在支腿底腳上升并接觸支撐臂后，支腿主體以箱體轉(zhuǎn)耳為中心實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)的霍爾計(jì)數(shù)傳感器對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可確保支腿底部的密封墊與外管下側(cè)的擋板緊密接觸后，支腿電機(jī)停止工作，以防電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩過大對(duì)機(jī)構(gòu)造成破壞性影響；拉簧的設(shè)置避免了支腿由收縮狀態(tài)改變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)時(shí)，由于重力影響，齒輪減速箱箱蓋上表面與安裝板下表面無法緊密貼合，從而確保支腿正常工作。

安裝板旋轉(zhuǎn)處設(shè)計(jì)的減震器（起限位作用），可防止車輛在行駛過程中，支腿向上擺動(dòng)時(shí)造成異響。同時(shí)當(dāng)電機(jī)處的霍爾計(jì)數(shù)元器件失效時(shí)，也對(duì)支腿的過量收縮起抑制作用。當(dāng)控制器檢測到支腿收縮時(shí)電機(jī)電流過大時(shí)，電機(jī)停止工作，以確保機(jī)構(gòu)安全。

3 承力部件輕量化設(shè)計(jì)及有限元分析

考慮從材質(zhì)減輕入手，并使用Solidworks Simulation軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，從而設(shè)計(jì)出合理的輕量化結(jié)構(gòu)。

支腿內(nèi)外管最初的輕量化材質(zhì)為鋁，與純鋼制的設(shè)計(jì)相比，單腿自重降低為6.5 kg，減輕了50%。但因鋁件的焊接性能較差，且質(zhì)地較軟，試制試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，鋁制的底腳在不平整道路上會(huì)出現(xiàn)明顯的變形，故而需要進(jìn)一步改進(jìn)方案。

3.1 內(nèi)管的有限元分析

為提高內(nèi)外管的耐用度，將材質(zhì)更改為不銹鋼304，通過Simulation 輔助分析設(shè)計(jì)，確定內(nèi)管壁厚為2 mm 時(shí)，即可滿足負(fù)載為1 t 的使用要求。相關(guān)材料具體屬性如表1所示。

表1 Q235和304不銹鋼材料屬性表

使用有限元網(wǎng)格劃分，單元尺寸為5.4 mm，節(jié)總數(shù)為28 991個(gè)，單元總數(shù)為15 310個(gè)，如圖2所示。網(wǎng)格劃分完成之后，設(shè)置材料屬性，然后施加相關(guān)載荷和約束。根據(jù)使用要求，內(nèi)管施加Z軸方向負(fù)載1 t，即10 000 N，底腳下表面約束為固定。設(shè)置完成后，交由FFEPlus 結(jié)算器進(jìn)行有限元分析。求解后得到的應(yīng)力云圖、位移（變形）云圖及安全系數(shù)云圖如圖3～5所示。

圖2 內(nèi)管網(wǎng)格圖解

圖3 內(nèi)管應(yīng)力分布云圖

圖4 內(nèi)管位移分布云圖

圖5 內(nèi)管安全系數(shù)分布云圖

從圖3～5所示的分析結(jié)果可以看出，在負(fù)載為1 t時(shí)，內(nèi)管結(jié)構(gòu)最大彈性變形量僅為0.027 mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為53 MPa，遠(yuǎn)小于材料304不銹鋼的屈服強(qiáng)度206 MPa。安全系數(shù)最小值為3.9，分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均能滿足使用要求。

3.2 箱體的有限元分析

箱體的受力主要考慮支腿頂升時(shí)，滾珠絲桿連接軸作用在箱體下表面時(shí)的反作用力對(duì)箱體結(jié)構(gòu)造成的影響。相關(guān)材料屬性如表2所示。

表2 Q235和YL113材料屬性表

使用有限元網(wǎng)格劃分，單元尺寸為7.6 mm，節(jié)總數(shù)為29 191個(gè)，單元總數(shù)為16 514個(gè)，如圖6所示。網(wǎng)格劃分完成后，設(shè)置材料屬性，然后施加相關(guān)載荷和約束。根據(jù)使用要求，內(nèi)管施加Z軸方向負(fù)載10 000 N，安裝板上表面約束為固定。設(shè)置完成后，交由FFEPlus結(jié)算器進(jìn)行有限元分析。求解后得到的應(yīng)力云圖、位移（變形）云圖及安全系數(shù)云圖如圖7～9所示。

從圖7～9所示的分析結(jié)果可以看出，在負(fù)載為1 t時(shí)，箱體結(jié)

圖6 箱體網(wǎng)格圖解

圖7 箱體應(yīng)力分布云圖

圖8 箱體位移分布云圖

圖9 箱體安全系數(shù)分布云圖

構(gòu)最大彈性變形量僅為0.028 mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為45.8 MPa，遠(yuǎn)小于材料YL113的屈服強(qiáng)度170 MPa。安全系數(shù)最小值為3.71，分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均能滿足使用要求。

4 結(jié)語

該輕量化支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)可靠，結(jié)合箱體與不銹鋼內(nèi)外管結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計(jì)改進(jìn)，有效降低了支腿質(zhì)量，使其自重降低到6.94 kg，從圖10～11可看出，支腿機(jī)構(gòu)通過CAE分析得到了優(yōu)化，保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性。與傳統(tǒng)液壓支撐系統(tǒng)相比，電動(dòng)支撐腿脫離了油液系統(tǒng)的束縛，更能滿足小型車輛的實(shí)際安裝需求。

圖10 試制方案圖

圖11 改進(jìn)方案圖

Structural Design of Lightweight Automatic Support System for 1t SUV

GAO Yong-wei et al

Regarding to the need of solid support small vehicle body equipped with special device，the solution was put forward with finite element analysis, and lightweight design was carried out.

automatic support; small vehicle; finite element analysis-

U469.6.03

A

1004-0226(2017)11-0096-04

高永偉，男，1961年生，高級(jí)技師，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計(jì)及專業(yè)理論與實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作。

2017-10-10