文/劉海林 王以陽(yáng) 張 巖（安徽合力股份有限公司）

一、概述

傳動(dòng)系統(tǒng)是叉車(chē)重要組成部分，驅(qū)動(dòng)橋處于傳動(dòng)系統(tǒng)的末端，主要由減速器、半軸和橋殼等部件組成。驅(qū)動(dòng)橋中的減速器將發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速降低，增大轉(zhuǎn)矩和牽引力，用來(lái)克服車(chē)輪行駛中遇到的外界阻力，帶動(dòng)叉車(chē)前進(jìn)或后退。

減速器內(nèi)部有多對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)矩的功能。減速器外部是殼體，通過(guò)軸承、密封圈等零件與內(nèi)部零件連接配合，使減速器傳動(dòng)過(guò)程保持平穩(wěn)。傳動(dòng)過(guò)程中，減速器殼體會(huì)受到各部件重量負(fù)荷的作用，容易產(chǎn)生損壞，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)減速器殼體的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

本文以3.5t叉車(chē)雙驅(qū)單元中的減速器殼體為研究對(duì)象，在ANSYSWorkbench軟件中對(duì)殼體施加載荷和約束，經(jīng)有限元分析計(jì)算，得出減速器殼體的應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖，最后經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證殼體設(shè)計(jì)的可使用性。

二、減速器殼體有限元分析

1.有限元分析前處理

利用Solidworks軟件建立減速器殼體、蓋板、螺栓、輪轂、輪輻及部分車(chē)架的三維模型。將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，重點(diǎn)關(guān)注的減速器殼體，設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為10mm；對(duì)于非重點(diǎn)關(guān)注的輪轂、輪輻和車(chē)架部分，設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為20mm。劃分網(wǎng)格后的模型共有239162個(gè)節(jié)點(diǎn)和137001個(gè)單元。減速器殼體的材料是QT450-10，材料參數(shù)為：彈性模量169GPa，泊松比0.257，密度7060kg/m，屈服極限310MPa，抗拉極限450MPa。

仿真分析的工況模擬叉車(chē)鏟取貨物后驅(qū)動(dòng)橋在各部件重量和貨物重量綜合作用下的受力情況，部件主要包括配重、門(mén)架等。考慮到叉車(chē)的行駛狀態(tài)，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋負(fù)荷值乘以動(dòng)載系數(shù)2，因此需在輪輻處施加83200N的力。

減速器殼與蓋板之間通過(guò)螺栓連接，需在螺栓處施加預(yù)緊力，同時(shí)蓋板與車(chē)架之間也需施加一定的預(yù)緊力。輪轂和輪輻之間雖然同樣采用螺栓連接，因不是本文研究的對(duì)象，可將其連接方式設(shè)置為綁定來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。加載螺栓預(yù)緊力時(shí)，需在ANSYSWorkbench中設(shè)置分布載荷，第一步添加螺栓預(yù)緊力值，第二步在“DefineBy”選項(xiàng)下選擇“Lock”來(lái)鎖定載荷，保證后面載荷步的運(yùn)行都會(huì)受到預(yù)緊力的作用。其余各部件間的接觸方式定義為摩擦，設(shè)定摩擦系數(shù)，車(chē)架的另一面固定約束。

在標(biāo)準(zhǔn)扭矩作用下，等級(jí)為10.9的M10螺栓的預(yù)緊力是38700N，等級(jí)為10.9的M16螺栓的預(yù)緊力是107000 N。各個(gè)載荷和約束施加情況如圖1所示。

圖1 載荷和約束的施加情況

2.有限元分析結(jié)果

圖2是減速器殼的應(yīng)力分布云圖，分析結(jié)果表明，在2倍負(fù)載和螺栓預(yù)緊力作用下，減速器殼上應(yīng)力較大處的值為191.22MPa。由材料QT450-10的屈服極限值計(jì)算出最小安全系數(shù)是1.62。圖3是M16螺栓的應(yīng)力分布云圖，較大處的應(yīng)力值是820.21MPa，可以計(jì)算出最小安全系數(shù)為1.1。結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)減速器殼結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)符合要求。

圖2 減速器殼應(yīng)力分布云圖

圖3 螺栓應(yīng)力分布云圖

圖4是減速器殼變形分布云圖，圖上顯示最大變形量是0.27mm，變形量較小，剛度變化不大。圖5是各連接面的相對(duì)移動(dòng)情況，主要是以黏附現(xiàn)象為主，少部分位置有滑動(dòng)，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的密封性較好。

圖4 減速器殼變形分布云圖

圖5 連接面的相對(duì)移動(dòng)情況

三、減速器殼體臺(tái)架試驗(yàn)

依據(jù)本公司“驅(qū)動(dòng)橋橋殼臺(tái)架試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法”的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)包含所設(shè)計(jì)減速器殼的驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)前調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)，保證橋殼中心與支撐裝置中心在同一水平線上，同時(shí)對(duì)壓力傳感器、應(yīng)變儀等儀器進(jìn)行靜標(biāo)定，控制精度在±3%以?xún)?nèi)。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋施加負(fù)荷上限為2倍額定橋荷和下限在500N之間的循環(huán)載荷，循環(huán)周期為3s。經(jīng)過(guò)30萬(wàn)次的循環(huán)試驗(yàn)，減速器殼上沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，連接狀態(tài)完好，螺栓沒(méi)有發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)果表明符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Solidworks軟件建立減速器殼體的三維模型，在ANSYSWorkbench軟件中加載2倍橋負(fù)荷和螺栓預(yù)緊力來(lái)仿真試驗(yàn)情況，最后經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的減速器殼體是否符合標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有效利用有限元分析方法可以大幅度提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，利于企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。