1t SUV輕量化自動支撐系統結構設計

高永偉 陸鳴 張繼剛 陳林

杭州恒宏機械有限公司 浙江杭州311232

1t SUV輕量化自動支撐系統結構設計

高永偉 陸鳴 張繼剛 陳林

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針對裝備有特殊儀器的小型車輛在作業時需要車身穩固支撐的情況，提出了采用輕量化自動支撐系統的解決方案，并采用有限元分析，對支撐系統的結構進行了輕量化設計。

自動支撐 有限元分析 輕量化

1 前言

目前，車載支撐裝置主要有液壓電控和機械電控的兩種形式。液壓電控形式在工程車輛、起重機械和建筑機械等設備上應用較廣，但對于調平要求較高的車輛或平臺，往往采用液壓伺服系統進行控制，它的缺點是液壓系統需一直處于工作狀態，即使采用液壓鎖也不能保證平臺較長時間處于高精度位置參數要求的穩定狀態，而且液壓裝置需要額外的液壓動力源，對于小型車輛而言，尚不具備如此寬敞的空間。

本文介紹的輕量化自動支撐系統采用電動控制，節省了安裝空間，同時輕量化設計減少了車輛載荷。該系統使車輛在特殊情況下利用電動折彎支腿實現輔助支撐，從而使車輛具有底盤穩固、防盜和防止車輛輪胎老化等功能。

2 輕量化自動支撐系統的工作原理及特點

下面結合圖1對支撐系統結構的具體實施方式進行說明。電動折彎支腿主要由帶霍爾計數傳感器的電機、齒輪減速箱、滾珠絲桿副、支撐臂及彈簧組成。當絲桿旋轉帶動絲桿螺母下行時，支腿呈伸展狀態，在支腿底腳落地后，支腿負載產生變化，此時控制箱通過檢測電機電流變化判斷支腿落地情況，并對電機進行短接以確保滾珠絲桿不會因負載過大而造成翻轉。

圖1 折彎原理示意圖

當絲桿旋轉帶動絲桿螺母上行時，支腿呈收縮狀態，在支腿底腳上升并接觸支撐臂后，支腿主體以箱體轉耳為中心實現逆時針旋轉，通過電機的霍爾計數傳感器對電機的旋轉圈數進行設定，可確保支腿底部的密封墊與外管下側的擋板緊密接觸后，支腿電機停止工作，以防電機堵轉轉矩過大對機構造成破壞性影響；拉簧的設置避免了支腿由收縮狀態改變為伸展狀態時，由于重力影響，齒輪減速箱箱蓋上表面與安裝板下表面無法緊密貼合，從而確保支腿正常工作。

安裝板旋轉處設計的減震器（起限位作用），可防止車輛在行駛過程中，支腿向上擺動時造成異響。同時當電機處的霍爾計數元器件失效時，也對支腿的過量收縮起抑制作用。當控制器檢測到支腿收縮時電機電流過大時，電機停止工作，以確保機構安全。

3 承力部件輕量化設計及有限元分析

考慮從材質減輕入手，并使用Solidworks Simulation軟件對結構進行力學分析，從而設計出合理的輕量化結構。

支腿內外管最初的輕量化材質為鋁，與純鋼制的設計相比，單腿自重降低為6.5 kg，減輕了50%。但因鋁件的焊接性能較差，且質地較軟，試制試驗后發現，鋁制的底腳在不平整道路上會出現明顯的變形，故而需要進一步改進方案。

3.1 內管的有限元分析

為提高內外管的耐用度，將材質更改為不銹鋼304，通過Simulation 輔助分析設計，確定內管壁厚為2 mm 時，即可滿足負載為1 t 的使用要求。相關材料具體屬性如表1所示。

表1 Q235和304不銹鋼材料屬性表

使用有限元網格劃分，單元尺寸為5.4 mm，節總數為28 991個，單元總數為15 310個，如圖2所示。網格劃分完成之后，設置材料屬性，然后施加相關載荷和約束。根據使用要求，內管施加Z軸方向負載1 t，即10 000 N，底腳下表面約束為固定。設置完成后，交由FFEPlus 結算器進行有限元分析。求解后得到的應力云圖、位移（變形）云圖及安全系數云圖如圖3～5所示。

圖2 內管網格圖解

圖3 內管應力分布云圖

圖4 內管位移分布云圖

圖5 內管安全系數分布云圖

從圖3～5所示的分析結果可以看出，在負載為1 t時，內管結構最大彈性變形量僅為0.027 mm，結構最大應力值為53 MPa，遠小于材料304不銹鋼的屈服強度206 MPa。安全系數最小值為3.9，分析結果表明，該結構的強度和剛度均能滿足使用要求。

3.2 箱體的有限元分析

箱體的受力主要考慮支腿頂升時，滾珠絲桿連接軸作用在箱體下表面時的反作用力對箱體結構造成的影響。相關材料屬性如表2所示。

表2 Q235和YL113材料屬性表

使用有限元網格劃分，單元尺寸為7.6 mm，節總數為29 191個，單元總數為16 514個，如圖6所示。網格劃分完成后，設置材料屬性，然后施加相關載荷和約束。根據使用要求，內管施加Z軸方向負載10 000 N，安裝板上表面約束為固定。設置完成后，交由FFEPlus結算器進行有限元分析。求解后得到的應力云圖、位移（變形）云圖及安全系數云圖如圖7～9所示。

從圖7～9所示的分析結果可以看出，在負載為1 t時，箱體結

圖6 箱體網格圖解

圖7 箱體應力分布云圖

圖8 箱體位移分布云圖

圖9 箱體安全系數分布云圖

構最大彈性變形量僅為0.028 mm，結構最大應力值為45.8 MPa，遠小于材料YL113的屈服強度170 MPa。安全系數最小值為3.71，分析結果表明，該結構的強度和剛度均能滿足使用要求。

4 結語

該輕量化支撐系統結構緊湊、設計可靠，結合箱體與不銹鋼內外管結構有限元設計改進，有效降低了支腿質量，使其自重降低到6.94 kg，從圖10～11可看出，支腿機構通過CAE分析得到了優化，保證了整個結構的強度和安全性。與傳統液壓支撐系統相比，電動支撐腿脫離了油液系統的束縛，更能滿足小型車輛的實際安裝需求。

圖10 試制方案圖

圖11 改進方案圖

Structural Design of Lightweight Automatic Support System for 1t SUV

GAO Yong-wei et al

Regarding to the need of solid support small vehicle body equipped with special device，the solution was put forward with finite element analysis, and lightweight design was carried out.

automatic support; small vehicle; finite element analysis-

U469.6.03

A

1004-0226(2017)11-0096-04

高永偉，男，1961年生，高級技師，現從事機械設計及專業理論與實訓教學工作。

2017-10-10