重型特種汽車車架加載工裝的設計

□ 岳春光

泰安航天特種車有限公司 山東泰安 271000

1 設計背景

車架作為重型特種汽車底盤的重要組成部分,不僅承載發動機、傳動系、轉向系、懸架、駕駛室等各個系統,而且承受不同工況下外部載荷的作用力和作用力矩。因此,車架質量的好壞直接關系到重型特種汽車底盤的安全性、可靠性和穩定性。相關學者對車架力學性能進行了大量研究,通過有限元仿真方法來實現車架結構的不斷優化,但通過設計加載工裝來驗證車架力學性能的研究卻很少。筆者根據某重型特種汽車車架在起豎初始工況下的實際承載情況,完成加載工裝的結構設計和優化,并通過有限元分析驗證了加載工裝的可行性。

2 車架起豎初始工況

在重型特種汽車車架起豎初始工況下,油缸支腿緩緩升起,汽車輪胎離開地面,如圖1所示。裝備在起豎油缸的作用下,繞軸Ⅰ和軸Ⅱ轉動,緩緩升至指定位置,然后按照指令完成任務。裝備在起豎油缸的初始作用下,會對車架產生較大的沖擊力,由此車架的力學性能有很高的要求。

車架在起豎初始工況下,除受四個支腿對車架的地面支撐力N1、N2以外,還要承受A點處裝備的反作用力FY和B點處裝備的反作用力FTx、FTz。其中,FY與水平方向的夾角為25°。輸入載荷FY為450 kN，FTx為408 kN,FTz為59 kN。

▲圖1 重型特種汽車車架起豎初始工況

3 加載工裝力學模型

為使重型特種汽車車架能夠承受與起豎初始工況下相同的載荷,設計起豎初始工況下的加載工裝。對加載工裝進行受力分析,如圖2所示。圖2中A′點、B′點為車架與加載工裝的連接軸接口,F′Y、F′Tx、F′Tz為車架對加載工裝的作用力,大小依次與FY、FTx、FTz相等,方向相反。F為需要施加的外力,F與Fx的夾角設為β。

▲圖2 加載工裝受力分析

列出力平衡方程,有:

Fx+F′Ycos25°-F′Tx=0

(1)

Fz-F′Ysin25°+F′Tz= 0

(2)

計算可得Fx為0.2 kN,Fz為131.2 kN。

由以上計算可知,加載工裝要想使力達到平衡,需要在匯交點處施加一個力F,F的大小為131.2 kN。

4 加載工裝結構設計

將桿A′C′ 和B′C′ 設計為二力桿結構,桿A′C′ 和桿B′C′ 通過銷軸連接,在C′ 處施加外力F,A′ 處接口和B′ 處接口可以產生相應的作用力。所設計的車架起豎初始工況下加載工裝三維圖如圖3所示。加載工裝由二力桿Ⅰ、二力桿Ⅱ和連接支架組成,二力桿I、二力桿Ⅱ、連接支架之間,以及二力桿Ⅰ、二力桿Ⅱ與車架均通過銷軸連接。連接支架連接加載工裝與液壓力源,為加載工裝傳導外力。

▲圖3 加載工裝三維圖

5 有限元分析

為驗證起豎初始工況下加載工裝結構的合理性,對其進行有限元分析,主要包括支反力分析、等效應力分析、位移分析。

外力F為131.2 kN時,車架在起豎初始工況下支反力仿真分析結果如圖4所示。

車架起豎初始工況下,支點合力仿真值FY為449 kN,與設計輸入值450 kN相差1 kN。FY三個方向的分力分別為406.9 kN、189.85 kN、0。尾梁回轉支耳三個方向的分力仿真值中,FTx為406.9 kN,FTz為58.89 kN。FTx、FTz與理論工況值分別相差1.1 kN、0.11 kN。

通過以上支反力分析,對加載工裝施加力F后,車架與加載工裝之間可以產生與加載工況近似相等的兩個支反力,滿足車架起豎初始工況下的承載要求。

為保證加載工裝在加載過程中的安全性,避免外界因素干擾,加載工裝按照車架起豎初始工況下1.5倍加載力F進行設計。加載工裝在1.5倍加載力F下的應力分析云圖如圖5所示。通過仿真分析可知,加載工裝在1.5倍加載力F下的等效應力分布范圍為0～278.34 MPa,結構材料可選用Q355合金鋼。等效應力最大點位于二力桿Ⅰ與車架連接處。加載工裝在1.5倍加載力F下的位移分析云圖如圖6所示。由圖6可知,加載工裝在1.5倍加載力F作用下的最大位移為17.487 mm,位移最大點位于二力桿Ⅰ上側處。經檢查,車架與加載工裝無干涉現象,滿足加載工裝加載空間要求。

▲圖4 起豎初始工況下加載工裝支反力仿真分析結果

▲圖5 起豎初始工況下加載工裝等效應力分析云圖

▲圖6 起豎初始工況下加載工裝位移分析云圖

6 結束語

筆者從實際生產經驗出發,完成某重型特種汽車車架在起豎初始工況下的加載工裝設計,并通過有限元軟件對加載工裝進行了支反力分析、等效應力分析和位移分析。

仿真分析結果顯示,加載工裝與車架連接接口處的支反力仿真值大小、方向與理論工況值接近,滿足車架承受載荷的要求。加載工裝各處等效應力仿真分析最大值為278.34 MPa,設計材料可選用Q355合金鋼,滿足剛度要求。加載工裝各處的位移仿真分析最大值為17.487 mm。

經檢查,車架與加載工裝無干涉情況,加載工裝滿足加載空間要求。

綜上所述,所設計的重型特種汽車車架加載工裝滿足試驗要求,投產后即可進行試驗。