基于ANSYS的叉車減速器殼體分析與優(yōu)化

劉海林，張 巖，王以陽

(安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

減速器是電動叉車的重要組成部分，它連接驅(qū)動電機(jī)和輪胎，主要由行星減速機(jī)構(gòu)、半軸和橋殼等部件組成。減速器起到將電機(jī)提供的轉(zhuǎn)速降低、增大轉(zhuǎn)矩和牽引力的作用，從而克服車輪行駛中遇到的外界阻力，帶動叉車前進(jìn)或者后退[1]。

減速器內(nèi)部有多對齒輪嚙合傳動，外部是殼體。通過軸承、密封圈等零件將外部殼體與內(nèi)部零件連接配合，使得減速器的傳動過程保持平穩(wěn)。傳動過程中，減速器殼體會受到各部件重量負(fù)荷的作用，容易產(chǎn)生損壞，因此在設(shè)計過程中需對減速器殼體的強(qiáng)度進(jìn)行分析[2]。

本文以3.5 t叉車雙驅(qū)減速器殼體為研究對象，該叉車左、右前輪各由一個電機(jī)通過減速器減速后驅(qū)動。與整體式驅(qū)動橋不同，雙驅(qū)單元由兩個相同型號的電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。通過操控裝置，分別控制叉車在轉(zhuǎn)彎時左、右前輪的轉(zhuǎn)彎半徑和動力輸出的大小，達(dá)到簡化結(jié)構(gòu)和方便操控的目的[3]。為了分析減速器殼體的結(jié)構(gòu)特性，首先在SolidWorks軟件中建立單個減速器、車架、輪轂、輪輻等部件的三維模型，其次在ANSYS Workbench軟件中依據(jù)試驗工況對模型施加載荷和約束條件。經(jīng)過分析計算，得出減速器殼體的應(yīng)力分布云圖和變形分布云圖，再依據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)設(shè)計的結(jié)構(gòu)。當(dāng)計算結(jié)果滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求時，最后通過臺架試驗裝置來驗證減速器殼體的可使用性。

1 減速器殼體有限元分析

1.1 有限元分析前處理

首先在SolidWorks軟件中建立3.5 t叉車雙驅(qū)單元的減速器殼體、蓋板、螺栓、輪轂、輪輻以及部分車架的三維模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中，并進(jìn)行模型簡化和幾何清理。劃分網(wǎng)格時，重點(diǎn)關(guān)注的減速器殼體和蓋板設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為10 mm，并對其中重要的曲面采取網(wǎng)格局部加密，非重點(diǎn)關(guān)注的輪轂、輪輻和部分車架設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為20 mm。完成網(wǎng)格劃分的模型共有239 162個節(jié)點(diǎn)和137 001個單元，節(jié)點(diǎn)和單元的數(shù)量滿足對模型計算精度要求且運(yùn)行效率較高。

減速器殼體的材料是QT450-10，材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 QT450-10性能參數(shù)

仿真分析的工況為沖擊載荷工況，該工況模擬叉車鏟取貨物后減速器在叉車自重和貨物重量綜合作用下的受力情況，自重主要包括配重、門架和車架等重量。考慮到叉車行駛時路面不平產(chǎn)生的沖擊影響，對減速器施加一定值的動載系數(shù)，經(jīng)過計算得出需在輪輻處施加值為78 000 N的力。

減速器殼體與蓋板之間通過螺栓連接，螺栓在裝配時會施加扭矩，因此施加載荷需考慮螺栓預(yù)緊力對減速器殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。同樣的，蓋板與車架之間也要加載一定值的預(yù)緊力。重點(diǎn)關(guān)注部分部件的接觸方式定義為摩擦，非重點(diǎn)關(guān)注部件的連接方式設(shè)置為綁定來簡化計算。

在標(biāo)準(zhǔn)扭矩作用下，連接減速器殼體與車架的是等級為10.9的M16螺栓，查表知預(yù)緊力為107 000 N。連接減速器殼體與蓋板的是等級為10.9的M10螺栓，預(yù)緊力為38 700 N。

施加載荷時，首先在ANSYS Workbench的求解器中設(shè)置兩個分析步，在第一分析步添加螺栓預(yù)緊力值，在第二步“定義依據(jù)”選項下選擇“鎖定”來固定螺栓載荷，保證后面載荷步的運(yùn)行都會受到預(yù)緊力的作用[4]，如圖1所示。在第二分析步下，還要在輪胎與地面接觸處施加78 000 N的力，方向為豎直向上。在減速器殼體安裝板的另一面采用固定約束，載荷和約束施加情況如圖2所示。

圖1 螺栓預(yù)緊力施加

圖2 減速器殼體的載荷和約束施加

1.2 有限元分析結(jié)果

分析得到的減速器殼體的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。圖3中，螺栓聯(lián)接孔部位應(yīng)力值大的原因為螺栓預(yù)緊力對螺栓孔產(chǎn)生的壓應(yīng)力，此應(yīng)力值無法消除，另根據(jù)經(jīng)驗此處也不會發(fā)生破壞，故沒有對此應(yīng)力進(jìn)行評估；結(jié)構(gòu)危險區(qū)域主要為圖示標(biāo)識區(qū)域，此處為拉應(yīng)力，為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。分析結(jié)果表明，減速器殼體上大部分的應(yīng)力值較小，靠近螺栓處的應(yīng)力值會逐漸增大，局部區(qū)域達(dá)到了256.36 MPa，超過材料的許用應(yīng)力200 MPa，因此需對其進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 減速器殼體的應(yīng)力分布云圖 圖4 M16螺栓的應(yīng)力分布云圖 圖5 減速箱殼體的變形分布云圖

圖4為減速器殼體與車架連接中起主要承載作用的M16螺栓的應(yīng)力分布云圖，應(yīng)力值整體分布較為合理，螺桿上應(yīng)力最大值達(dá)820.93 MPa，計算安全系數(shù)為1 080/820.21=1.32，表明螺栓的安全系數(shù)符合要求。

圖5為減速器殼體變形分布云圖，減速箱殼體整體變形量較小，最大變形為0.269 mm，滿足殼體每米變形量小于0.5 mm的剛度要求，表明結(jié)構(gòu)的剛度較大，符合設(shè)計要求。

圖6為連接面的連接狀態(tài)云圖，圖中在螺栓附近處以粘附狀態(tài)為主，說明螺栓提供的預(yù)緊力足夠大，在抵抗外部載荷后仍有足夠的預(yù)緊力來保持它們的緊密狀態(tài)，因此螺栓對各零件相對位置有很好的限制作用；其余有部分位置存在滑動和相對接近的情況發(fā)生，沒有部件遠(yuǎn)離和處于模型之外的位置。由此可以知道驅(qū)動單元的螺栓連接狀態(tài)和密封性較好，不會在密封面處產(chǎn)生滲油情況。

圖6 連接面連接狀態(tài)云圖 圖7 殼體改進(jìn)后應(yīng)力分布云圖 圖8 試驗裝置

1.3 改進(jìn)后殼體有限元分析

在上述工況下，減速器殼體加強(qiáng)筋處的應(yīng)力值較大。經(jīng)分析認(rèn)為導(dǎo)致此處應(yīng)力值偏大的原因是左側(cè)加強(qiáng)筋離螺栓過近，右側(cè)加強(qiáng)筋離螺栓過遠(yuǎn)，導(dǎo)致局部剛度不協(xié)調(diào)。在外載荷通過螺栓作用到殼體時，左側(cè)加強(qiáng)筋處剛度較大，承受大部分的彎矩載荷，造成局部應(yīng)力過大。因此需對加強(qiáng)筋的位置進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到剛度協(xié)調(diào)的目的。改進(jìn)后減速器殼體的應(yīng)力分布云圖如圖7所示，最大應(yīng)力值為192.7 MPa，安全系數(shù)為450/192.7=2.34，滿足強(qiáng)度要求。

2 減速器殼體臺架試驗

2.1 臺架試驗裝置設(shè)計

為了對有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，需要對減速器殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺架試驗[5]。為了模擬在叉車實際運(yùn)行過程中減速器殼體的使用情況，臺架試驗裝置的設(shè)計必須還原實際裝配關(guān)系。試驗裝置如圖8所示，其上安裝了兩個驅(qū)動單元，一左一右呈對稱分布。首先把驅(qū)動單元主要承載件通過對應(yīng)的裝配關(guān)系裝配好，如減速器殼體、輪轂和蓋板等；再把驅(qū)動單元外側(cè)輪轂與試驗裝置支撐部位通過螺栓連接，內(nèi)側(cè)與試驗裝置中部通過螺栓連接，螺栓安裝時施加標(biāo)準(zhǔn)扭矩值。試驗裝置中間支撐部分模擬的是車架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)支撐部分模擬的是輪輻。

2.2 臺架試驗過程

依據(jù)本公司《驅(qū)動橋橋殼臺架試驗及評價方法》對包含所設(shè)計減速器殼體的驅(qū)動單元進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗。試驗前調(diào)整試驗臺，保證殼體中心與支撐裝置中心在同一水平線上，且與加載的負(fù)載力方向呈垂直狀態(tài)。同時，試驗臺上兩個驅(qū)動單元間距與實際車型中的輪距、距離地面的安裝距等參數(shù)保持一致。對壓力傳感器、應(yīng)變儀等儀器進(jìn)行靜標(biāo)定，控制精度在±3%以內(nèi)。在減速器殼上粘貼應(yīng)變片，位置應(yīng)選擇在應(yīng)力較大處。試驗過程中，對驅(qū)動單元施加上限為78 000 N和下限在500 N之間的循環(huán)載荷，循環(huán)周期為3 s。經(jīng)過30萬次的循環(huán)試驗，減速器殼上沒有產(chǎn)生裂紋，連接狀態(tài)完好，沒有發(fā)生滲漏，螺栓沒有發(fā)生破壞，試驗結(jié)果表明該殼體符合標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

3 結(jié)束語

本文在ANSYS Workbench軟件中以臺架試驗工況來對減速器主要承載件進(jìn)行有限元建模，根據(jù)仿真的結(jié)果，對減速器殼體的應(yīng)力云圖、變形云圖以及連接用M16螺栓應(yīng)力云圖和螺栓連接面的連接狀態(tài)云圖進(jìn)行評價，對減速器殼體上應(yīng)力較大的區(qū)域進(jìn)行局部優(yōu)化調(diào)整以滿足強(qiáng)度要求，最后經(jīng)過臺架試驗驗證了所設(shè)計的減速器殼體是符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用要求的。在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，有效利用有限元分析方法可以大幅度提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，有利于企業(yè)競爭力的提升。