馬賀賀

基于輕量化的重卡駕駛室舉升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬賀賀

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221000）

重卡車輛輕量化要求不斷提高，對(duì)駕駛室舉升系統(tǒng)零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)也必不可少。文章主要從舉升缸的布置、舉升缸的選型、液壓泵的匹配、液壓缸下支架的輕量化優(yōu)化幾個(gè)方向進(jìn)行分析，從輕量化方向闡述各部件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為舉升系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)提供一種思路。

重卡；駕駛室；輕量化；舉升系統(tǒng)

引言

隨著能源緊張國(guó)際油價(jià)上漲以及環(huán)境治理，對(duì)于整車節(jié)能減排的需求日益加強(qiáng)，重卡車型的輕量化是有效提升車輛的運(yùn)輸效率和提升用戶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段?，F(xiàn)重卡車輛輕量化主要對(duì)底盤結(jié)構(gòu)件進(jìn)行輕量化，駕駛室翻轉(zhuǎn)舉升系統(tǒng)各部件為保證駕駛室舉升的安全性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全余量均較大，本文主要研究駕駛室翻轉(zhuǎn)舉升系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。

1 重卡駕駛室舉升系統(tǒng)的介紹

重卡為方便發(fā)動(dòng)機(jī)艙的維修，通過(guò)液壓缸和液壓泵組成的舉升系統(tǒng)將駕駛室翻轉(zhuǎn)到一定角度[1]。液壓缸下支架螺接在車架上，液壓缸與液壓缸下支架通過(guò)銷軸鉸接。駕駛室在舉升液壓缸的作用下，從水平舉升到一定角度，在舉升過(guò)程中駕駛室分別對(duì)液壓缸下支架施加不同的壓力和拉力。駕駛室舉升系統(tǒng)功能比較單一，作為整車的附屬系統(tǒng)，能滿足駕駛室平穩(wěn)安全的舉升回落滿足使用要求即可。

1.1 舉升系統(tǒng)的布置

根據(jù)駕駛室發(fā)動(dòng)機(jī)艙的大小以及發(fā)動(dòng)機(jī)及冷卻模塊的布置位置進(jìn)行駕駛室翻轉(zhuǎn)校核，駕駛室翻轉(zhuǎn)的最大角度能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的維修和接近便可。通過(guò)校核當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到58°時(shí)，底盤系統(tǒng)的方便性較好，故駕駛室最大翻轉(zhuǎn)角度為58°。

駕駛室重心和駕駛室翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)到40°時(shí)，駕駛室重心與駕駛室翻轉(zhuǎn)點(diǎn)垂向在一條線上，駕駛室翻轉(zhuǎn)58°就要越過(guò)翻轉(zhuǎn)軸心18°，駕駛室越過(guò)重心后舉升缸對(duì)駕駛室施加拉力，由駕駛室翻轉(zhuǎn)角度和舉升缸受力情況，同時(shí)結(jié)合底盤車架系統(tǒng)的布置邊界和駕駛室地板梁的位置對(duì)液壓缸上下安裝點(diǎn)進(jìn)行布置。

圖1 舉升缸前頂、后頂布置形式

根據(jù)整車布置空間，在舉升缸靠近車架側(cè)面和駕駛室地板梁位置，駕駛室舉升缸布置前頂位置時(shí)如圖1所示，舉升缸與發(fā)動(dòng)機(jī)本體干涉，故需將舉升缸向車架外側(cè)移動(dòng)，且根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外邊界要求，需將液壓缸下安裝點(diǎn)位置前移，方可避免與發(fā)動(dòng)機(jī)干涉，通過(guò)調(diào)整將舉升缸布置為后頂形式如圖2所示。

2 舉升系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)

舉升系統(tǒng)重量主要集中在舉升液壓缸下支架、舉升液壓缸、舉升液壓泵三個(gè)主要零部件上，舉升系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)主要從以上四個(gè)零件展開，具體如下：

2.1 液壓缸的設(shè)計(jì)

在液壓缸選型上，在滿足強(qiáng)度和系統(tǒng)壓力的要求下，為降低液壓缸重量，應(yīng)匹配液壓缸直徑、活塞桿直徑更小，安裝尺寸更小的油缸。

在實(shí)現(xiàn)駕駛室翻轉(zhuǎn)一定角度基礎(chǔ)上，液壓缸布置的與翻轉(zhuǎn)軸越近，對(duì)液壓缸的承載力要求就越高，工作行程就相應(yīng)減短；反之距離越遠(yuǎn)，對(duì)液壓缸的承載力要求就越低，但對(duì)液壓缸工作行程就相應(yīng)加長(zhǎng)[2]。

同時(shí)液壓缸布置和其他周邊零件的間隙校核；在駕駛室舉升翻轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程中，液壓缸與周邊零件間隙應(yīng)大于25mm；最終確定液壓缸下支點(diǎn)位置，液壓缸的安裝距為590mm，在最小安裝距的情況下實(shí)現(xiàn)活塞桿的最大行程使駕駛室翻轉(zhuǎn)到最大58°。

根據(jù)油缸工作原理不同，液壓缸分為差動(dòng)式液壓缸和非差動(dòng)式液壓缸；差動(dòng)式液壓缸與非差動(dòng)式液壓缸的特點(diǎn)對(duì)比如下：

表1 液壓缸特點(diǎn)對(duì)比

為追求更小的系統(tǒng)壓力，提高系統(tǒng)的使用可靠性，同時(shí)降低手動(dòng)操作力，減小活塞桿直徑降低液壓缸的重量；選擇非差動(dòng)液壓缸用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1.1液壓油缸的受力計(jì)算

設(shè)駕駛室的質(zhì)量為M，駕駛室的重力力臂H；液壓油缸的舉升力為F，液壓油缸的舉升力臂為L(zhǎng)；得MGH=FL，則F=MGH/L。

由M=850kg，g取10N/kg，由于重力力臂H與舉升力臂L隨著翻轉(zhuǎn)角度的變化而變化[3]，由駕駛室舉升系統(tǒng)液壓缸上、下支點(diǎn)、翻轉(zhuǎn)中心等關(guān)鍵硬點(diǎn)確定，導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件Admas，輸入駕駛室重心位置、駕駛室質(zhì)量、液壓缸的行程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的計(jì)算；通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)駕駛室翻轉(zhuǎn)45°時(shí)，駕駛室重心越過(guò)旋轉(zhuǎn)中心開始自由下落，液壓缸對(duì)駕駛室施加拉力，在舉升油缸達(dá)到最大行程時(shí)駕駛室翻轉(zhuǎn)58°。

舉升力的曲線如下圖所示：

由圖3可知液壓油缸的舉升推力隨著翻轉(zhuǎn)角度的增大而減小，當(dāng)駕駛室重心與駕駛室翻轉(zhuǎn)點(diǎn)垂向在一條線上時(shí)，舉升推力為0；駕駛室繼續(xù)翻轉(zhuǎn)舉升油缸對(duì)駕駛室的力由推力變?yōu)槔?，隨著角度繼續(xù)增大拉力快速增大，則舉升力在駕駛室水平位置時(shí)推力最大F推=18842N，翻轉(zhuǎn)到最大角度時(shí)油缸承受最大拉力F拉=23597N。

2.1.2液壓缸系統(tǒng)壓力計(jì)算及油缸缸徑的選擇

油缸舉升力F與活塞的有效面積A及油缸內(nèi)的工作壓力P有關(guān)，F(xiàn)=PxA。由于駕駛室翻轉(zhuǎn)不過(guò)重心故最大力在舉升開始時(shí)，由活塞的有效面積A=πr2，液壓油缸的公稱壓力選取25Mpa等級(jí)，由液壓缸的負(fù)載效率為理論值的85%，當(dāng)取其負(fù)載效率為85%時(shí)，則推出的油缸內(nèi)徑D<46mm，則取油缸內(nèi)徑為45mm等級(jí)；則活塞桿直徑選取32mm等級(jí)（選取通用油缸缸徑及活塞桿直徑）；

①通過(guò)活塞桿直徑強(qiáng)度校核：d≥[4F/π(σ)]1/2

d—活塞桿直徑；F—液壓缸的負(fù)載；（σ）—活塞桿材料許用應(yīng)力，（σ）=σb/n，n=1.4?；钊麠U一般選用45鋼，其調(diào)質(zhì)后的抗拉強(qiáng)度大于590Mpa，通過(guò)計(jì)算得，當(dāng)d>20mm時(shí)則強(qiáng)度滿足使用要求，故活塞桿選取32mm時(shí)，完全滿足使用要求[4]。

②活塞桿穩(wěn)定性校核，當(dāng)活塞桿長(zhǎng)度與活塞桿直徑比值大于15時(shí)需進(jìn)行穩(wěn)定性校核。由液壓缸的安裝距為590mm，活塞桿長(zhǎng)度為360mm，有計(jì)算可知，360/32=11.25<15，活塞桿不存在失穩(wěn)的可能性。由以上驗(yàn)算可得，當(dāng)活塞桿直徑為32mm時(shí)，完全滿足使用要求。

系統(tǒng)壓力的計(jì)算：

根據(jù)負(fù)載和油缸的缸筒內(nèi)徑選擇以及非差動(dòng)油缸的特點(diǎn)，計(jì)算得工作壓力為15.6Mpa<20 Mpa，系統(tǒng)壓力較小，對(duì)系統(tǒng)零部件的沖擊較小。

③當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)過(guò)重心后，液壓缸對(duì)駕駛室施加拉力至翻轉(zhuǎn)到最大角度，油缸承受最大拉力F拉=23597N，液壓缸在40000N拉力后無(wú)脫落，故對(duì)油缸受拉的強(qiáng)度不在進(jìn)行校核；

2.2 舉升油量計(jì)算及液壓泵油罐的選擇

在裝配時(shí)液壓缸為滿油，在計(jì)算舉升系統(tǒng)的用油量時(shí)，只需考慮液壓油管和液壓缸運(yùn)動(dòng)行程范圍內(nèi)的需油量即可；通過(guò)計(jì)算液壓油管總長(zhǎng)度為8000mm，液壓缸的缸筒直徑為45mm液壓缸行程為315mm，液壓缸下浮動(dòng)行程為45mm，活塞桿直徑32mm。

在舉升翻轉(zhuǎn)時(shí)液壓缸總用油量計(jì)算說(shuō)明：油泵需加注油量為兩部分，分別為駕駛室舉升所需的油量Q主，油泵油缸之間油管之間的油量Q油管，系統(tǒng)排氣調(diào)整損失Q損；

油泵加油量為Q主＋Q油管＋Q損=325＋100+100=525ml

在舉升翻轉(zhuǎn)時(shí)液壓缸總用油量為525ml，由液壓泵油罐液壓油在舉升到最大角度時(shí)，油罐油量應(yīng)剩余30%以上，故液壓液壓泵油罐選擇820ml，當(dāng)駕駛室舉升到最大角度時(shí)，油泵剩余量為820-525=295 ml，油箱剩余的油量比例為295/820=36%，能夠保證系統(tǒng)的排氣及駕駛室的正常舉升；同時(shí)在匹配油罐時(shí)，油罐材質(zhì)為選用尼龍材質(zhì)，密度低，降低多余油量的加注和罐體重量。

2.3 液壓缸下支架的設(shè)計(jì)

為保證駕駛室在車輛全生命周期內(nèi)的安全翻轉(zhuǎn)，液壓缸下支架的強(qiáng)度必須滿足極限工況的要求。由于駕駛室的翻轉(zhuǎn)只在車輛停車維修狀態(tài)下操作使用，故只需考慮駕駛室翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1仿真分析與優(yōu)化

通過(guò)對(duì)方案一的強(qiáng)度分析，計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖如下：

圖3 駕駛室翻轉(zhuǎn)0°和58°位置

由應(yīng)力云圖可知，液壓缸下支架最大應(yīng)力為354Mpa，應(yīng)力最大點(diǎn)均出現(xiàn)在液壓缸下支架根部凸臺(tái)安裝面與縱梁螺栓連接處，均為擠壓應(yīng)力非破壞風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，故不進(jìn)行考慮；而液壓缸下支架其他部位應(yīng)力均小于177Mpa，安全系數(shù)為1.75，滿足使用要求。

2.3.2優(yōu)化改進(jìn)

方案一支架強(qiáng)度滿足使用要求，但整體較重，成本較高；為減輕重量，在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，輕量化設(shè)計(jì)的思路如下：

①提高零件材料性能，選用ZGD650-830；②去除對(duì)零件受力結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)較小的部分；③對(duì)關(guān)鍵受力點(diǎn)增加筋的支撐，增加受力截面；

優(yōu)化方案：通過(guò)應(yīng)力云圖分析支架各部位的受力情況，將支架受力較小部位壁厚降到6mm，同時(shí)加大減重孔；在液壓缸下支架關(guān)鍵受力部位采用筋肋結(jié)構(gòu)提高強(qiáng)度，只保留關(guān)鍵連接點(diǎn)，去除多余材料等措施，將液壓缸下支架重量降低到3.4Kg；

對(duì)優(yōu)化的液壓缸下支架分析驗(yàn)證，按照上述載荷邊界進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力云圖如下：

圖4 駕駛室翻轉(zhuǎn)0°和58°位置

由應(yīng)力云圖可知，液壓缸下支架的強(qiáng)度在兩種不同工況下，關(guān)鍵受力部位的應(yīng)力均較小，綜合所述，優(yōu)化后液壓缸下支架輕量化效果明顯達(dá)到21%，同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足駕駛室翻轉(zhuǎn)受力要求。

3 總結(jié)

為提升重卡的輕量化水平，對(duì)整車的附屬系統(tǒng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，成為整車輕量化的重要方向。本文上主要從理論分析上對(duì)舉升系統(tǒng)各部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，為保證駕駛室的舉升安全性，下一步還需進(jìn)行各零部件的可靠性驗(yàn)證，以滿足整車生命周期的使用要求。

[1] 潘習(xí)炎,段奇德,朱碧霞.汽車駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造[J].汽車科技,2001,(4):10-12.

[2] 周福庚,重型車駕駛室翻轉(zhuǎn)液壓缸最優(yōu)安裝位置研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,(1):29-30.

[3] 姜帆.駕駛室的液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2011,(4):32- 36.

[4] 蘇欣平,劉士通.工程機(jī)械液壓與液力傳動(dòng)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

Design of Heavy Cab Lifting System Based on Lightweigh

Ma Hehe

( Xuzhou Xugong Automobile Manufacturing Co. LTD, Jiangsu Xuzhou 221000 )

Requirements for lightweight heavy truck vehicles have been raised,It is also necessary to design lightweight components for cab lifting system.This paper mainly analyzes the layout of the lifting cylinder, the selection of the lifting cylinder, the matching of the hydraulic pump and the lightweight optimization of the support under the hydraulic cylinder,the design key points of each component are expounded in light weight direction,it provides an idea for the lightweight design of lifting system.

Heavy truck;Cab;Lightweight; Lifting system

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.018

U463.8

A

1671-7988(2021)06-60-03

U463.8

A

1671-7988(2021)06-60-03

馬賀賀（1990-），男，助理工程師，本科，就職于徐州徐工汽車制造有限公司，從事車身總布置及駕駛室懸置舉升系統(tǒng)研究。