后推式舉升機構有限元分析與優化設計

鄧合陽 ，李華

(1.福田汽車時代事業部，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

自卸車裝備由發動機驅動液壓舉升機構，能夠將車廂卸下和回位，或將車廂傾斜一定的角度進行卸貨，并靠自重使車廂自行回位，是我國專用汽車中產量最大的車型。自卸舉升機構直接關系到整車及舉升性能[1]。自卸汽車上，現在廣泛采用液壓舉升機構。根據油缸與車廂底板的連接方式，常用的舉升機構可以分為直接推動式和連桿組合式兩大類。連桿組合式舉升機構又可以分為前推式和后推式兩種[2]。前推式舉升機構目前在國內得到廣泛的應用，主要用于輕型和中型自卸型工程車,但是它存在著機構龐大、油缸在舉升過程中的擺角較大、工作行程也大的缺點[2]。后推式舉升機構恰恰相反，其舉升行程中油缸擺角小，機構的工作效率高，結構緊湊，在國外已經得到廣泛應用。在發達國家，后推式舉升機構在輕型自卸車上已經得到廣泛應用；但是在國內，后推式舉升機構不是很成熟，沒有大批量使用，與國外存在很大差距。作者結合國外的成熟經驗，設計了一款滿足輕型工程自卸車需求的后推式舉升機構。但是后推式舉升機構存在著機構舉升力較大、舉升相同質量所需舉升力較其他舉升機構大的缺陷[2]。為解決機構由于載荷過大而強度不足的問題，作者將有限元分析方法應用于后推式舉升機構的設計中，對后推式舉升機構進行有限元分析，得出其結構最差之處，然后對其進行優化改進，使其滿足設計要求。通過此方法可以設計出一款可靠性高、強度性能優的后推式舉升機構，并且可在國內推廣使用。

1 后推式舉升機構多體動力學分析

1.1 后推式舉升機構多體模型建立

設計的后推式舉升機構舉升質量為4.5 t，目標應用于載質量為4 t的輕型自卸型工程車。其三維數模如圖1所示,其結構主要由三角板1、舉升油缸2和拉桿3組成。舉升時油缸2往后升出即后推，利用三角板1與拉桿3形成的放大機構將貨箱舉升實現貨物卸載。

圖1 后推式舉升機構三維模型圖

根據其結構和運動特點，將數模導入多體分析軟件，并建立連接副將各運動機構連接起來。建立的多體分析模型如圖2所示。

圖2 多體動力學仿真分析模型圖

1.2 多體動力學分析

對它進行仿真分析計算得出多體動力學分析結果如圖3所示，具體受力如表1所示。從分析結果看出：三角板受力達到3.851 1×104N，油缸舉升力達到10.825×104N，拉桿受力達到9.98×104N。可見機構受力很大，容易發生斷裂和質量問題。在舉升初始時刻，整個舉升機構的受力最大，因此針對舉升機構以舉升初始受力邊界進行強度分析和強度校核。

圖3 機構受力時間曲線圖

受力點最大受力大小/N最大受力時刻三角板38511×104(兩個點合力)舉升初始油缸舉升力10825×105舉升初始拉桿受力99803×104(兩個點合力)舉升初始

2 強度分析

2.1 有限元分析模型建立

此舉升機構的材料選用如表2所示，拉桿和三角臂均使用Q235材料。對于舉升機構，根據設計經驗其安全系數必須在1.2以上。

表2 后推式布置機構CAE分析用材料數據

文中首先對舉升機構進行有限元網格離散模型建立，然后加載邊界條件和載荷對其進行計算。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 分析結果與評價

對其進行分析計算，得出分析結果如表3和圖5所示。從結果看出：三角板的應力最大為217 MPa，安全系數為1.08，低于1.2，因此不滿足設計要求，需要進行優化加強；拉桿和拉桿橫梁應力分別為97和178 MPa,安全系數分別為2.42和1.32，均高于1.2，滿足設計要求。

表3 分析結果表

圖5 原始結構結果云紋圖

3 結構優化設計

根據上文的計算結果，三角板結構不滿足強度設計要求，需對其進行結構優化設計，具體優化方案如圖6所示。

圖6 結構優化設計方案圖

4 優化結構性能評估

對優化改進結構進行結構靜力學分析，其分析結果如表4和圖7所示。從結果看出：優化改進后，三角板應力由217 MPa降為129 MPa,安全系數由1.08提升為1.82，高于1.2，滿足強度設計要求；拉桿橫梁應力由178 MPa降低至55 MPa，安全系數為4.27，遠遠高于1.2。因拉桿應力不變，文中不再給出應力圖。

表4 優化結構分析結果表

圖7 優化結構Vonmises應力云紋圖

5 結論

設計一款后推式舉升機構，通過有限元分析方法對其進行了多體動力學分析和強度分析，得出三角板結構強度不滿足設計要求，其他部件強度均滿足設計要求。對三角板進行了結構優化改進，優化后安全系數達由1.08提升到1.82，高于1.2，滿足強度設計要求。作者成功地將有限元分析方法應用于后推式舉升機構的設計中，解決了因載荷過大強度不足的問題，設計出了一款后推式舉升機構。

參考文獻:

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