基于CATIA 的自行小车车体承载结构设计与研究

李昆霖 周 少

（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）

自行小车（Electric Monorail Systems，EMS）也称为电动单轨自行小车、电动单轨系统。在汽车厂特别是商用车总装车间，发动机、车架、车桥等10 余类大总成采用自行小车进行空中输送。商用车总装车间的自行小车应用较多，且工件重量多数超过2t 甚至5t。自行小车下方为人工合装作业区[1]，因此对自行小车的车体结构安全性提出了高要求。

1 自行小车的车体结构与载荷

1.1 车体结构

自行小车的车体结构呈C 型结构，通常采用焊接结构。它的上部为安装减速机的法兰安装面。减速机通过螺栓安装在法兰安装面上。减速机输出轴设置驱动轮，起到驱动小车运行和承载小车与工件重量的作用。车体下部结构用于安装承载梁或直接安装电动葫芦。车体中部用于安装与轨道滑触线配套的碳刷。为避让工字型轨道，车体中部需设计为C 型[2]，即车体主要承载结构为车体中部的C 型结构，需重点对车体C 型结构的垂直方向进行结构校核。

1.2 载荷

车体有1t、1.5t、3t 等不同承载等级。本次车体的设计载荷为3t，包括车体下方吊挂的电动葫芦自重、吊具自重、随车电控箱重量以及工件重量。根据设计经验，与3t 车体匹配的最大起重量葫芦为2.5t 电动环链葫芦[3]。

以往的结构设计通常采用经验计算法和静强度计算法，未考虑自行小车在电动葫芦升降工况下因葫芦振动引起的激励，存在共振引起结构失效的隐患。本次的研究重点关注自行小车的车体结构在电动葫芦升降工况下的应力校核与共振校核。根据以上分析，此车体可匹配的最大起重量葫芦为2.5t 电动环链葫芦。以某型号为例，它的起重链条采用Q80 级起重链条，规格尺寸为27mm×9mm，即链节长度27mm，升降速度8m/min，链轮齿数4 齿，存在链轮多边形效应。它的升降时可观察到明显的周期性振动。根据上述数据，可计算单个2.5t 电动环链葫芦对车体的振动激励频率为4.94Hz。很多自行小车采用双葫芦结构，前后葫芦同时运行时，最大振动激励频率将达到9.88Hz。

1.3 自行小车的车体静态强度分析

首先，需要对车体模型进行网格划分，即将可能出现应力集中点的结构进行网格细分与优化，简化不影响本次垂直方向受力分析的结构，对整体结构按照合理的网格大小进行网格划分。其次，进行约束定义。在车体上部安装减速机的法兰安装面添加固定约束，在车体下部施加30kN垂直向下的力。最后，添加车体自重的加速度9.8m/s2。运算仿真后，按下冯米思应力图标，可查看车体的有限元分析应力情况[4]，如图1 所示。

2 自行小车车体模态分析

2.1 自由模态分析

进入自由模态分析模式，运算仿真后可得出前10 阶模态。但是，自行小车车体的实际工况下存在约束与载荷，与自由模态相差较大，其仿真结果不具有参考意义。

图1 车体的有限元分析应力情况

2.2 加载有效质量模态分析

加载有效质量的模态分析需要添加约束与质量。基于静态强度分析结果，选择插入模态分析。需要先在车体下部即承载工件重量的销轴安装孔处施加3000kg 的分布质量，运算仿真后，在冯米思应力中查看前10 阶模态。其中，本次仿真的车体一阶模态频率为8.85Hz，变形方向是车体C 型结构垂直方向的变形。

2.3 加载指定频率的振动时的强度分析

在有限元分析的基础上选择插入动态响应计算，并选取静态仿真的30kN 载荷，将其设定为白噪声振动。运算仿真后，在冯米思应力中查询，其中模态频率为4.96Hz 时最大应力点为114MPa，9.88Hz 时最大应力点为354MPa（如图2 所示）。9.88Hz 接近车体的一阶模态频率为8.85Hz，共振引起车体振幅增大，使得应力急剧增大，已超过Q235材料的许用应力。

图2 振动频率为9.88Hz 时的车体应力情况

3 自行小车车体优化设计与研究

针对设计存在强度不足的问题，考虑车体左右两侧C型侧板增加板厚4mm 以提高强度，然后再次进行多项有限元分析。结果显示，增加板厚能够提高车体刚度，同时其一阶频率也从8.85Hz 提升至9.79Hz，非常接近振动激励频率9.88Hz，使得车体受到振动激励时产生很大的振幅，最大应力超过1000MPa（如图3 所示）。可见，增大板厚会引起共振导致结构失效，不满足本次校核与设计的要求。为了提高一阶频率，除了增大车体刚度外，还可以减小吊挂的有效质量，即将车体额定载荷从3t 减小至1.5t，再次进行多项有限元分析。结果显示，静态和受激励振动的最大应力均在80MPa 以内（如图4 所示），符合Q235 材料的许用应力与起重设备安全系数要求[5]，可见设计具有可行性。

图3 车体增大板厚的加载质量模态情况

图4 车体载荷降低至1.5t 的车体应力情况

4 结语

基于CATIA 有限元分析，分析车体结构的静强度、自由模态以及加载有效质量模态，对车体进行了优化设计与研究，提升了自行小车车体结构安全性。经校核，3t 承载能力的车体在配置电动环链葫芦的工况下仅能承载1.5t，如配置连续运行无振动的钢丝绳葫芦时可承载3t。此外，传统校核方式未对共振进行校核，存在局限性。本文对自行小车配置电动环链葫芦的工况下车体如何避免共振进行研究，得出了一套成熟的实际应用方法，能够指导同类机械结构的设计工作，为自行小车行业提供了新的设计校核方式，在汽车厂非标设备行业内具备推广与借鉴价值。