后推式举升机构有限元分析与优化设计

邓合阳 ，李华

(1.福田汽车时代事业部，湖南长沙 410129；2.湖南猎豹汽车股份有限公司,湖南长沙 410129)

0 引言

自卸车装备由发动机驱动液压举升机构，能够将车厢卸下和回位，或将车厢倾斜一定的角度进行卸货，并靠自重使车厢自行回位，是我国专用汽车中产量最大的车型。自卸举升机构直接关系到整车及举升性能[1]。自卸汽车上，现在广泛采用液压举升机构。根据油缸与车厢底板的连接方式，常用的举升机构可以分为直接推动式和连杆组合式两大类。连杆组合式举升机构又可以分为前推式和后推式两种[2]。前推式举升机构目前在国内得到广泛的应用，主要用于轻型和中型自卸型工程车,但是它存在着机构庞大、油缸在举升过程中的摆角较大、工作行程也大的缺点[2]。后推式举升机构恰恰相反，其举升行程中油缸摆角小，机构的工作效率高，结构紧凑，在国外已经得到广泛应用。在发达国家，后推式举升机构在轻型自卸车上已经得到广泛应用；但是在国内，后推式举升机构不是很成熟，没有大批量使用，与国外存在很大差距。作者结合国外的成熟经验，设计了一款满足轻型工程自卸车需求的后推式举升机构。但是后推式举升机构存在着机构举升力较大、举升相同质量所需举升力较其他举升机构大的缺陷[2]。为解决机构由于载荷过大而强度不足的问题，作者将有限元分析方法应用于后推式举升机构的设计中，对后推式举升机构进行有限元分析，得出其结构最差之处，然后对其进行优化改进，使其满足设计要求。通过此方法可以设计出一款可靠性高、强度性能优的后推式举升机构，并且可在国内推广使用。

1 后推式举升机构多体动力学分析

1.1 后推式举升机构多体模型建立

设计的后推式举升机构举升质量为4.5 t，目标应用于载质量为4 t的轻型自卸型工程车。其三维数模如图1所示,其结构主要由三角板1、举升油缸2和拉杆3组成。举升时油缸2往后升出即后推，利用三角板1与拉杆3形成的放大机构将货箱举升实现货物卸载。

图1 后推式举升机构三维模型图

根据其结构和运动特点，将数模导入多体分析软件，并建立连接副将各运动机构连接起来。建立的多体分析模型如图2所示。

图2 多体动力学仿真分析模型图

1.2 多体动力学分析

对它进行仿真分析计算得出多体动力学分析结果如图3所示，具体受力如表1所示。从分析结果看出：三角板受力达到3.851 1×104N，油缸举升力达到10.825×104N，拉杆受力达到9.98×104N。可见机构受力很大，容易发生断裂和质量问题。在举升初始时刻，整个举升机构的受力最大，因此针对举升机构以举升初始受力边界进行强度分析和强度校核。

图3 机构受力时间曲线图

受力点最大受力大小/N最大受力时刻三角板38511×104(两个点合力)举升初始油缸举升力10825×105举升初始拉杆受力99803×104(两个点合力)举升初始

2 强度分析

2.1 有限元分析模型建立

此举升机构的材料选用如表2所示，拉杆和三角臂均使用Q235材料。对于举升机构，根据设计经验其安全系数必须在1.2以上。

表2 后推式布置机构CAE分析用材料数据

文中首先对举升机构进行有限元网格离散模型建立，然后加载边界条件和载荷对其进行计算。建立有限元分析模型，其中三角板分析模型如图4所示。

图4 三角板有限元分析模型图

2.2 分析结果与评价

对其进行分析计算，得出分析结果如表3和图5所示。从结果看出：三角板的应力最大为217 MPa，安全系数为1.08，低于1.2，因此不满足设计要求，需要进行优化加强；拉杆和拉杆横梁应力分别为97和178 MPa,安全系数分别为2.42和1.32，均高于1.2，满足设计要求。

表3 分析结果表

图5 原始结构结果云纹图

3 结构优化设计

根据上文的计算结果，三角板结构不满足强度设计要求，需对其进行结构优化设计，具体优化方案如图6所示。

图6 结构优化设计方案图

4 优化结构性能评估

对优化改进结构进行结构静力学分析，其分析结果如表4和图7所示。从结果看出：优化改进后，三角板应力由217 MPa降为129 MPa,安全系数由1.08提升为1.82，高于1.2，满足强度设计要求；拉杆横梁应力由178 MPa降低至55 MPa，安全系数为4.27，远远高于1.2。因拉杆应力不变，文中不再给出应力图。

表4 优化结构分析结果表

图7 优化结构Vonmises应力云纹图

5 结论

设计一款后推式举升机构，通过有限元分析方法对其进行了多体动力学分析和强度分析，得出三角板结构强度不满足设计要求，其他部件强度均满足设计要求。对三角板进行了结构优化改进，优化后安全系数达由1.08提升到1.82，高于1.2，满足强度设计要求。作者成功地将有限元分析方法应用于后推式举升机构的设计中，解决了因载荷过大强度不足的问题，设计出了一款后推式举升机构。

参考文献:

[1]徐格宁，左一凡，王敬川．自卸车前推连杆式举升机构的计算机辅助优化设计[J]．建筑机械，2008(5)：82-83．

XU G L,ZUO Y F,WANG J C.Optimization Design of Forward-link Dump Mechanism for Self-lifting Truck[J].Construction Machinery,2008(5)：82-83．

[2]刘敏杰，刘聚德．几种举升机构的结构与性能分析[J]．专用汽车，1999(2)：23-24．

LIU M J,LIU J D.Structure and Performance Analysis of Several Lifting Mechanisms[J].Special Purpose Vehicle,1999(2)：23-24．