基于ANSYS 的叉車(chē)輪邊結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)分析

尹道駿

（合肥井松智能科技股份有限公司，合肥 230000）

叉車(chē)作為一種工業(yè)搬運(yùn)車(chē)輛，對(duì)貨物進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，叉車(chē)被廣泛應(yīng)用于車(chē)站、港口以及機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合。隨著使用率越來(lái)越高，叉車(chē)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的情況也日益普遍。在叉車(chē)使用過(guò)程中，叉車(chē)使用環(huán)境比較惡劣，尤其在港口、石料廠等顛簸路段工況下，叉車(chē)輪邊輪輞螺母易出現(xiàn)松動(dòng)情況，可能導(dǎo)致前車(chē)輪飛出的安全事故，嚴(yán)重威脅駕駛?cè)藛T的人身安全。本文通過(guò)有限元軟件分析優(yōu)化前后輪邊結(jié)構(gòu)的受力情況，最終采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：輪輞周向各鎖緊螺母的扭矩未出現(xiàn)下降，解決了市場(chǎng)上普遍存在的輪邊螺母松動(dòng)問(wèn)題。

1 驅(qū)動(dòng)橋工作原理

驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。驅(qū)動(dòng)橋工作原理可以概括為：從變速器傳遞過(guò)來(lái)的動(dòng)力通過(guò)差速器齒輪花鍵與半軸花鍵進(jìn)行嚙合，半軸與輪轂通過(guò)螺栓連接一起，輪轂與輪輞、制動(dòng)鼓通過(guò)輪轂螺栓相連接，輪轂有軸承支撐在橋殼上，這樣從半軸處傳遞的動(dòng)力到達(dá)輪轂，進(jìn)而帶動(dòng)輪胎旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)叉車(chē)前進(jìn)和后退[2]。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立計(jì)算模型（包括三維模型和網(wǎng)格模型）

運(yùn)用ANSYS Workbench 進(jìn)行有限元分析。因輪邊支撐軸承組件不是主要考慮對(duì)象，為提高分析效率，僅對(duì)輪邊結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析[3]。輪邊材料為QT450，彈性模量E=1.69×1011，泊松比μ=0.257，屈服強(qiáng)度為310MPa，許用應(yīng)力為450MPa。

將三維模型導(dǎo)入ANSYS 中，選用四面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并細(xì)化局部突變處網(wǎng)格，建立有限元模型。有限元模型約有65 萬(wàn)個(gè)單元，99 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

分析軟件使用ANSYS Workbench，各零件接觸面之間建立摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.2。分析考慮工況為徑向載荷工況，施加螺栓預(yù)緊力117000N，徑向力35000N（已考慮2 倍動(dòng)載系數(shù)）。邊界約束條件如下：輪轂上一軸承安裝面約束X、Y、Z 方向平移自由度和X 方向旋轉(zhuǎn)自由度；另一軸承安裝面約束Y、Z 方向平移自由度，如圖3 所示。

圖3 邊界約束

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 總的變形量與應(yīng)力結(jié)果

完成裝配體分析后，對(duì)比各零部件應(yīng)力分析結(jié)果，如圖4 和圖5 所示?？梢?jiàn)，優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力由2095MPa下降到764MPa，輪輞螺栓應(yīng)力減小明顯，同時(shí)裝配體變形量也有所減小。

圖4 優(yōu)化前后輪邊結(jié)構(gòu)的變形量

圖5 優(yōu)化前后輪邊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

3.2 各組成零件受到的應(yīng)力情況

經(jīng)過(guò)對(duì)各組成零件（包括制動(dòng)鼓、輪轂、輪輞以及輪輞螺栓）進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如表1、圖6、圖7、圖8 和圖9所示?？梢?jiàn)，所受最大應(yīng)力均出現(xiàn)下降，尤其是輪輞螺栓下降明顯。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在相同的載荷條件受到的應(yīng)力分布較為均勻，同時(shí)變形量也減少，因此螺母不易出現(xiàn)松動(dòng)。

表1 各組成零件受力情況

圖6 優(yōu)化前后輪輞的應(yīng)力云圖

4 輪邊防松試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 測(cè)試儀器

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后的輪邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行試制后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)大量程扭矩扳手進(jìn)行加扭矩和復(fù)測(cè)扭矩，型號(hào)為T(mén)WD-800（檢測(cè)范圍160 ～800N·m）[4]。

圖7 優(yōu)化前后輪轂的應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化前后制動(dòng)鼓的應(yīng)力云圖

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前復(fù)測(cè)前輪各輪輞螺栓扭矩值，并使其達(dá)到裝配工藝要求（按540N·m 預(yù)緊）。對(duì)各輪輞螺栓進(jìn)行編號(hào)（編號(hào)為1 ～8），并用記號(hào)筆打上標(biāo)記；在保證安全的前提下，滿(mǎn)載全速繞由10%坡道、兩組顛簸塊和大約為30m 直道組成的橢圓形試驗(yàn)場(chǎng)道上，進(jìn)行順、逆時(shí)針各10 圈的試驗(yàn)；在整車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行滿(mǎn)載高速8 字回旋，8 字長(zhǎng)度為20m。正反回旋各10 次，復(fù)測(cè)輪輞螺栓扭矩變化及標(biāo)記變化情況。

圖9 優(yōu)化前后螺栓的應(yīng)力云圖

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。從數(shù)據(jù)可以看出：優(yōu)化后狀態(tài)下的扭矩比原始狀態(tài)要好，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果一致。在客戶(hù)處進(jìn)行6 個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證，未反饋有螺母松動(dòng)的問(wèn)題。

表2 試驗(yàn)后螺母扭矩值

5 結(jié)論

（1）通過(guò)有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定，分析后獲得輪邊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖。從計(jì)算結(jié)果可知，選取輪邊優(yōu)化的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形量都優(yōu)于原結(jié)構(gòu)，尤其是螺栓應(yīng)力值下降明顯。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的方案未出現(xiàn)輪輞螺母松動(dòng)的情況。

（2）通過(guò)有限元軟件進(jìn)行模擬分析，可以大幅度縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)也為同類(lèi)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。