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

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)動機(jī)驅(qū)動液壓舉升機(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 多體動力學(xué)仿真分析模型圖

1.2 多體動力學(xué)分析

對它進(jìn)行仿真分析計(jì)算得出多體動力學(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)果與評價(jià)

對其進(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)性能評估

對優(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其進(jìn)行了多體動力學(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):

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