基于ANSYS的叉車減速器殼體分析與優化

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，它連接驅動電機和輪胎，主要由行星減速機構、半軸和橋殼等部件組成。減速器起到將電機提供的轉速降低、增大轉矩和牽引力的作用，從而克服車輪行駛中遇到的外界阻力，帶動叉車前進或者后退[1]。

減速器內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部零件連接配合，使得減速器的傳動過程保持平穩。傳動過程中，減速器殼體會受到各部件重量負荷的作用，容易產生損壞，因此在設計過程中需對減速器殼體的強度進行分析[2]。

本文以3.5 t叉車雙驅減速器殼體為研究對象，該叉車左、右前輪各由一個電機通過減速器減速后驅動。與整體式驅動橋不同，雙驅單元由兩個相同型號的電機單獨驅動。通過操控裝置，分別控制叉車在轉彎時左、右前輪的轉彎半徑和動力輸出的大小，達到簡化結構和方便操控的目的[3]。為了分析減速器殼體的結構特性，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軟件中依據試驗工況對模型施加載荷和約束條件。經過分析計算，得出減速器殼體的應力分布云圖和變形分布云圖，再依據分析結果改進設計的結構。當計算結果滿足設計標準的要求時，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，然后將其導入到ANSYS Workbench軟件中，并進行模型簡化和幾何清理。劃分網格時，重點關注的減速器殼體和蓋板設置網格尺寸大小為10 mm，并對其中重要的曲面采取網格局部加密，非重點關注的輪轂、輪輻和部分車架設置網格尺寸大小為20 mm。完成網格劃分的模型共有239 162個節點和137 001個單元，節點和單元的數量滿足對模型計算精度要求且運行效率較高。

減速器殼體的材料是QT450-10，材料性能參數如表1所示。

表1 QT450-10性能參數

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生的沖擊影響，對減速器施加一定值的動載系數，經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緊力對減速器殼體結構強度的影響。同樣的，蓋板與車架之間也要加載一定值的預緊力。重點關注部分部件的接觸方式定義為摩擦，非重點關注部件的連接方式設置為綁定來簡化計算。

在標準扭矩作用下，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，預緊力為38 700 N。

施加載荷時，首先在ANSYS Workbench的求解器中設置兩個分析步，在第一分析步添加螺栓預緊力值，在第二步“定義依據”選項下選擇“鎖定”來固定螺栓載荷，保證后面載荷步的運行都會受到預緊力的作用[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 有限元分析結果

分析得到的減速器殼體的應力分布云圖如圖3所示。圖3中，螺栓聯接孔部位應力值大的原因為螺栓預緊力對螺栓孔產生的壓應力，此應力值無法消除，另根據經驗此處也不會發生破壞，故沒有對此應力進行評估；結構危險區域主要為圖示標識區域，此處為拉應力，為重點關注區域。分析結果表明，減速器殼體上大部分的應力值較小，靠近螺栓處的應力值會逐漸增大，局部區域達到了256.36 MPa，超過材料的許用應力200 MPa，因此需對其進行優化。

圖3 減速器殼體的應力分布云圖 圖4 M16螺栓的應力分布云圖 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螺栓的應力分布云圖，應力值整體分布較為合理，螺桿上應力最大值達820.93 MPa，計算安全系數為1 080/820.21=1.32，表明螺栓的安全系數符合要求。

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，表明結構的剛度較大，符合設計要求。

圖6為連接面的連接狀態云圖，圖中在螺栓附近處以粘附狀態為主，說明螺栓提供的預緊力足夠大，在抵抗外部載荷后仍有足夠的預緊力來保持它們的緊密狀態，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生，沒有部件遠離和處于模型之外的位置。由此可以知道驅動單元的螺栓連接狀態和密封性較好，不會在密封面處產生滲油情況。

圖6 連接面連接狀態云圖 圖7 殼體改進后應力分布云圖 圖8 試驗裝置

1.3 改進后殼體有限元分析

在上述工況下，減速器殼體加強筋處的應力值較大。經分析認為導致此處應力值偏大的原因是左側加強筋離螺栓過近，右側加強筋離螺栓過遠，導致局部剛度不協調。在外載荷通過螺栓作用到殼體時，左側加強筋處剛度較大，承受大部分的彎矩載荷，造成局部應力過大。因此需對加強筋的位置進行調整，達到剛度協調的目的。改進后減速器殼體的應力分布云圖如圖7所示，最大應力值為192.7 MPa，安全系數為450/192.7=2.34，滿足強度要求。

2 減速器殼體臺架試驗

2.1 臺架試驗裝置設計

為了對有限元分析結果的準確性進行驗證，需要對減速器殼體結構進行臺架試驗[5]。為了模擬在叉車實際運行過程中減速器殼體的使用情況，臺架試驗裝置的設計必須還原實際裝配關系。試驗裝置如圖8所示，其上安裝了兩個驅動單元，一左一右呈對稱分布。首先把驅動單元主要承載件通過對應的裝配關系裝配好，如減速器殼體、輪轂和蓋板等；再把驅動單元外側輪轂與試驗裝置支撐部位通過螺栓連接，內側與試驗裝置中部通過螺栓連接，螺栓安裝時施加標準扭矩值。試驗裝置中間支撐部分模擬的是車架結構，兩側支撐部分模擬的是輪輻。

2.2 臺架試驗過程

依據本公司《驅動橋橋殼臺架試驗及評價方法》對包含所設計減速器殼體的驅動單元進行疲勞強度試驗。試驗前調整試驗臺，保證殼體中心與支撐裝置中心在同一水平線上，且與加載的負載力方向呈垂直狀態。同時，試驗臺上兩個驅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保持一致。對壓力傳感器、應變儀等儀器進行靜標定，控制精度在±3%以內。在減速器殼上粘貼應變片，位置應選擇在應力較大處。試驗過程中，對驅動單元施加上限為78 000 N和下限在500 N之間的循環載荷，循環周期為3 s。經過30萬次的循環試驗，減速器殼上沒有產生裂紋，連接狀態完好，沒有發生滲漏，螺栓沒有發生破壞，試驗結果表明該殼體符合標準要求[6]。

3 結束語

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行有限元建模，根據仿真的結果，對減速器殼體的應力云圖、變形云圖以及連接用M16螺栓應力云圖和螺栓連接面的連接狀態云圖進行評價，對減速器殼體上應力較大的區域進行局部優化調整以滿足強度要求，最后經過臺架試驗驗證了所設計的減速器殼體是符合設計標準和使用要求的。在產品的設計過程中，有效利用有限元分析方法可以大幅度提高設計效率，縮短設計周期，有利于企業競爭力的提升。