汽車尾板舉升機構(gòu)的設(shè)計及有限元分析

程東霽，胡雯婷，雷定中，鄔志軍

（1.皖西學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽 六安237012；2.蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215021；3.瑞典查爾姆斯理工學(xué)院產(chǎn)品與生產(chǎn)開發(fā)學(xué)院，瑞典 哥德堡）

0 引言

汽車尾板是安裝于貨車尾部的一種起重設(shè)備，它能夠大幅度地提高裝卸效率，節(jié)約人力資源，提高搬運人員的安全保障以及降低貨物受損率。在發(fā)達國家已經(jīng)大量使用，尾板的種類也很多。圖1所示的是國外常見的幾種尾板。

圖1 發(fā)達國家?guī)追N常見的尾板

據(jù)統(tǒng)計資料顯示，自2008年至2010年3年期間，國內(nèi)外汽車尾板市場銷售總量數(shù)據(jù)如表1所示［1］。

表1 國內(nèi)外汽車尾板市場銷售總量對比（2008～2010年）

巨大的數(shù)字懸殊顯示了國內(nèi)汽車尾板市場發(fā)展的潛力。在國內(nèi)，由于相關(guān)法律法規(guī)不完善，勞動力成本價廉及與尾板相關(guān)的配套設(shè)施尚不健全等原因，目前尚未普及使用汽車尾板。但是，隨著物流業(yè)的發(fā)展，勞動力成本的漸漸增長，汽車尾板必然得到企業(yè)和社會的重視。對于汽車尾板的研究將會給企業(yè)帶來可觀的利益，同時也會給社會帶來非常有用的價值。目前，在標準不規(guī)范的前提下，部分尾板設(shè)計存在安全隱患，在舉升過程中液壓桿斷裂、尾板板面被撕裂、板面變形過大等情況時有發(fā)生。本文針對具體一款車型，介紹了平行四邊形原理的四缸尾板舉升機構(gòu)的主要設(shè)計步驟，創(chuàng)建了三維模型，最后對其進行有限元分析，給出了最大應(yīng)力及最大變形的位置及大小，為保障其在工作過程中安全可靠提供了理論依據(jù)。

1 汽車尾板的組成、運動過程及舉升機構(gòu)的工作原理

1.1 汽車尾板的組成

汽車尾板通常包括以下3個部分：①舉升機構(gòu)：舉升機構(gòu)包括搖桿、一組舉升液壓缸和一組翻轉(zhuǎn)液壓缸。②橫梁：橫梁與車底板縱梁連接；③尾板面板：承受被舉升的重物。如圖2所示。

1.2 汽車尾板的整個運動過程

汽車尾板在工作過程中歷經(jīng)以下7個位置［3］：

圖2 汽車尾板結(jié)構(gòu)機械主體（1.舉升機構(gòu)；2.橫梁；3.尾板面板）

圖3 汽車尾板工作的7個位置

1.3 汽車尾板舉升機構(gòu)的工作原理

如圖4所示，通過改變翻轉(zhuǎn)液壓缸AC的長度，實現(xiàn)尾板CDE繞D軸翻轉(zhuǎn)。即實現(xiàn)圖3中的關(guān)門、開門、著地、離地的動作。

如圖5所示，通過改變舉升液壓缸BK的長度，帶動平行四邊形機構(gòu)ODCA進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)尾板CDE的上下平動。即實現(xiàn)圖3中的下降、舉升的動作。

圖4 尾板翻轉(zhuǎn)的原理

圖5 尾板舉升原理

尾板在實際的運動過程中會承載貨物或人員，如果因為尾板的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而導(dǎo)致在升降過程中出現(xiàn)桿件受壓失穩(wěn)，尾板的升降機鉸鏈斷裂和尾板變形過大等問題，將有可能給使用者帶來巨大的人身傷害或財產(chǎn)損失，所以對尾板機械結(jié)構(gòu)的強度及剛度有很高的要求。

2 汽車尾板舉升機構(gòu)的設(shè)計

本文以徐工集團的型號為NXG1160D3ZAL2X的貨車為例，其相關(guān)參數(shù)如表2所示，主要設(shè)計其尾板的舉升機構(gòu)。

表2 NXG1160D3ZAL2X型貨車參數(shù)

2.1 確定舉升機構(gòu)中桿件的尺寸

根據(jù)車型尺寸及尾板橫梁的安裝位置，如圖6所示確定搖臂L0的相關(guān)參數(shù)。

圖6 搖臂尺寸聯(lián)系圖

依據(jù)下面公式進行舉升機構(gòu)中搖臂的尺寸計算。

β——搖桿與水平面的夾角，取40～50°；

代入H0＝1 300mm，上式得：

可根據(jù)具體情況，選取該范圍內(nèi)適當?shù)闹怠?/p>

圖7是尾板舉升機構(gòu)的基礎(chǔ)圖，用于確定在翻轉(zhuǎn)過程中和舉升過程中液壓缸的行程，以及各連接鉸鏈中心的位置。

2.2 建立尾板的三維模型

根據(jù)舉升機構(gòu)各構(gòu)件尺寸，確定機構(gòu)的零件圖，利用三維軟件Autodesk Inventor建立三維模型如圖8所示。

圖7 尾板舉升機構(gòu)的基礎(chǔ)圖

圖8 Autodesk Inventor環(huán)境中的尾板模型

3 汽車尾板舉升機構(gòu)的應(yīng)力分析

為了給汽車尾板安全可靠的工作提供理論依據(jù)，需要對尾板結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析。在進行有限元分析之前，需要對各零件指定材料，劃分網(wǎng)格，施加約束及載荷。針對該尾板的模型，本文進行了上止位點和下止位點兩個位置的應(yīng)力分析，承重為1t，圖9和圖10為其應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為131.8MPa和232.1 MPa，最大變形分別為7.267mm和8.748mm。完全可以滿足尾板的材料要求和工作需要。

圖9 尾板承受載荷在上止位時的應(yīng)力云圖

圖10 尾板承受載荷在下止位時的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

可以根據(jù)上述步驟和方法設(shè)計出汽車尾板的機械部分，其設(shè)計的尾板舉升機構(gòu)再通過有限元分析能夠直觀地發(fā)現(xiàn)強度及剛度最薄弱的位置。當承重為1t時，機構(gòu)內(nèi)部的最大應(yīng)力分別為131.8MPa和232.1MPa，最大變形分別為 7.267mm 和 8.748 mm。尾板機構(gòu)的選材和加工應(yīng)滿足上述要求，才能保證使用者的人身及財產(chǎn)安全。

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［3］鄧亞東，陳森濤，易興初，等.一種廂式載貨汽車尾板舉升機構(gòu)的設(shè)計［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005（7）：99-101.

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