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        后推式舉升機(jī)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2018-05-11 00:47:43鄧合陽李華
        汽車零部件 2018年2期
        關(guān)鍵詞:三角板拉桿受力

        鄧合陽 ,李華

        (1.福田汽車時(shí)代事業(yè)部,湖南長沙 410129;2.湖南獵豹汽車股份有限公司,湖南長沙 410129)

        0 引言

        自卸車裝備由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓舉升機(jī)構(gòu),能夠?qū)④噹断潞突匚?,或?qū)④噹麅A斜一定的角度進(jìn)行卸貨,并靠自重使車廂自行回位,是我國專用汽車中產(chǎn)量最大的車型。自卸舉升機(jī)構(gòu)直接關(guān)系到整車及舉升性能[1]。自卸汽車上,現(xiàn)在廣泛采用液壓舉升機(jī)構(gòu)。根據(jù)油缸與車廂底板的連接方式,常用的舉升機(jī)構(gòu)可以分為直接推動(dòng)式和連桿組合式兩大類。連桿組合式舉升機(jī)構(gòu)又可以分為前推式和后推式兩種[2]。前推式舉升機(jī)構(gòu)目前在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用,主要用于輕型和中型自卸型工程車,但是它存在著機(jī)構(gòu)龐大、油缸在舉升過程中的擺角較大、工作行程也大的缺點(diǎn)[2]。后推式舉升機(jī)構(gòu)恰恰相反,其舉升行程中油缸擺角小,機(jī)構(gòu)的工作效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國家,后推式舉升機(jī)構(gòu)在輕型自卸車上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用;但是在國內(nèi),后推式舉升機(jī)構(gòu)不是很成熟,沒有大批量使用,與國外存在很大差距。作者結(jié)合國外的成熟經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一款滿足輕型工程自卸車需求的后推式舉升機(jī)構(gòu)。但是后推式舉升機(jī)構(gòu)存在著機(jī)構(gòu)舉升力較大、舉升相同質(zhì)量所需舉升力較其他舉升機(jī)構(gòu)大的缺陷[2]。為解決機(jī)構(gòu)由于載荷過大而強(qiáng)度不足的問題,作者將有限元分析方法應(yīng)用于后推式舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,對(duì)后推式舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,得出其結(jié)構(gòu)最差之處,然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),使其滿足設(shè)計(jì)要求。通過此方法可以設(shè)計(jì)出一款可靠性高、強(qiáng)度性能優(yōu)的后推式舉升機(jī)構(gòu),并且可在國內(nèi)推廣使用。

        1 后推式舉升機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)分析

        1.1 后推式舉升機(jī)構(gòu)多體模型建立

        設(shè)計(jì)的后推式舉升機(jī)構(gòu)舉升質(zhì)量為4.5 t,目標(biāo)應(yīng)用于載質(zhì)量為4 t的輕型自卸型工程車。其三維數(shù)模如圖1所示,其結(jié)構(gòu)主要由三角板1、舉升油缸2和拉桿3組成。舉升時(shí)油缸2往后升出即后推,利用三角板1與拉桿3形成的放大機(jī)構(gòu)將貨箱舉升實(shí)現(xiàn)貨物卸載。

        圖1 后推式舉升機(jī)構(gòu)三維模型圖

        根據(jù)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),將數(shù)模導(dǎo)入多體分析軟件,并建立連接副將各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接起來。建立的多體分析模型如圖2所示。

        圖2 多體動(dòng)力學(xué)仿真分析模型圖

        1.2 多體動(dòng)力學(xué)分析

        對(duì)它進(jìn)行仿真分析計(jì)算得出多體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果如圖3所示,具體受力如表1所示。從分析結(jié)果看出:三角板受力達(dá)到3.851 1×104N,油缸舉升力達(dá)到10.825×104N,拉桿受力達(dá)到9.98×104N??梢姍C(jī)構(gòu)受力很大,容易發(fā)生斷裂和質(zhì)量問題。在舉升初始時(shí)刻,整個(gè)舉升機(jī)構(gòu)的受力最大,因此針對(duì)舉升機(jī)構(gòu)以舉升初始受力邊界進(jìn)行強(qiáng)度分析和強(qiáng)度校核。

        圖3 機(jī)構(gòu)受力時(shí)間曲線圖

        受力點(diǎn)最大受力大小/N最大受力時(shí)刻三角板38511×104(兩個(gè)點(diǎn)合力)舉升初始油缸舉升力10825×105舉升初始拉桿受力99803×104(兩個(gè)點(diǎn)合力)舉升初始

        2 強(qiáng)度分析

        2.1 有限元分析模型建立

        此舉升機(jī)構(gòu)的材料選用如表2所示,拉桿和三角臂均使用Q235材料。對(duì)于舉升機(jī)構(gòu),根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)其安全系數(shù)必須在1.2以上。

        表2 后推式布置機(jī)構(gòu)CAE分析用材料數(shù)據(jù)

        文中首先對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格離散模型建立,然后加載邊界條件和載荷對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。建立有限元分析模型,其中三角板分析模型如圖4所示。

        圖4 三角板有限元分析模型圖

        2.2 分析結(jié)果與評(píng)價(jià)

        對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算,得出分析結(jié)果如表3和圖5所示。從結(jié)果看出:三角板的應(yīng)力最大為217 MPa,安全系數(shù)為1.08,低于1.2,因此不滿足設(shè)計(jì)要求,需要進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng);拉桿和拉桿橫梁應(yīng)力分別為97和178 MPa,安全系數(shù)分別為2.42和1.32,均高于1.2,滿足設(shè)計(jì)要求。

        表3 分析結(jié)果表

        圖5 原始結(jié)構(gòu)結(jié)果云紋圖

        3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        根據(jù)上文的計(jì)算結(jié)果,三角板結(jié)構(gòu)不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),具體優(yōu)化方案如圖6所示。

        圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案圖

        4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能評(píng)估

        對(duì)優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,其分析結(jié)果如表4和圖7所示。從結(jié)果看出:優(yōu)化改進(jìn)后,三角板應(yīng)力由217 MPa降為129 MPa,安全系數(shù)由1.08提升為1.82,高于1.2,滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求;拉桿橫梁應(yīng)力由178 MPa降低至55 MPa,安全系數(shù)為4.27,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1.2。因拉桿應(yīng)力不變,文中不再給出應(yīng)力圖。

        表4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表

        圖7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)Vonmises應(yīng)力云紋圖

        5 結(jié)論

        設(shè)計(jì)一款后推式舉升機(jī)構(gòu),通過有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)分析和強(qiáng)度分析,得出三角板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求,其他部件強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)三角板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn),優(yōu)化后安全系數(shù)達(dá)由1.08提升到1.82,高于1.2,滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。作者成功地將有限元分析方法應(yīng)用于后推式舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,解決了因載荷過大強(qiáng)度不足的問題,設(shè)計(jì)出了一款后推式舉升機(jī)構(gòu)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]徐格寧,左一凡,王敬川.自卸車前推連桿式舉升機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑機(jī)械,2008(5):82-83.

        XU G L,ZUO Y F,WANG J C.Optimization Design of Forward-link Dump Mechanism for Self-lifting Truck[J].Construction Machinery,2008(5):82-83.

        [2]劉敏杰,劉聚德.幾種舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與性能分析[J].專用汽車,1999(2):23-24.

        LIU M J,LIU J D.Structure and Performance Analysis of Several Lifting Mechanisms[J].Special Purpose Vehicle,1999(2):23-24.

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