基于VDI 2230的某新能源叉车对开式轮辋防松研究*

2023-05-10杨婷婷兰清群

九江学院学报(自然科学版) 2023年1期

杨婷婷兰清群

(安徽交通职业技术学院安徽合肥 230051)

新能源叉车属于工业车辆，其轮胎轮辋安装一般属于中等精度装配。对开式轮辋在装配时，先将外轮辋和内轮辋使用特种螺栓进行固定成总成，再将轮辋总成安装到轮毂总成上。安装时内轮辋与轮毂总成相配合，使用轮辋螺栓和轮辋螺母进行固定。轮毂总成上的轮辋螺栓为M14的标准件，对开式轮辋上的轮辋螺栓通过孔为Φ20的通孔。对开式轮辋一般采用螺母座定位安装，外轮辋与轮辋螺母连接部分采用了60°的锥角连接形式。安装完成后，需对轮辋螺母施加一定的预紧力，以此锁紧螺母。

1、轮毂总成；2、轮辋螺栓；3、内轮辋；4、外轮辋；5、轮辋螺母；6、特种螺栓图1 对开式轮辋安装总成示意图

因叉车的工作环境差、工作强度高等因素，若轮辋螺母在后续工作中出现了松动，很容易导致轮辋螺母和轮辋之间疲劳磨损，出现轮辋孔溢大或轮辋螺栓断裂的破坏形式[1-4]。

文章以对开式轮辋为研究对象，使用有限元分析软件ANSYS Workbench，基于VDI 2230[5-6]标准，对轮辋安装进行弯曲载荷工况和径向载荷工况静力学分析，并对轮辋螺母和轮辋之间、轮辋和轮毂之间进行滑移分析，寻求改进方案，提升轮辋防松效果。

1 计算模型

三维模型考虑轮毂与安装螺栓，载荷条件中考虑螺栓预紧力；接触位置建立有摩擦接触。

1.1 径向载荷工况

(1)载荷Wr：径向载荷是径向分布于一定角度的胎圈座曲面上的力[8]。根据Stearns J. 等提出的径向载荷余弦分布模型理论[8-9]，轮辋总成上任意角度θ处施加的径向分布力Wr可按如下公式[10-11]计算得来：

(1)

式(1)中：Wr为径向分布力；Fr为轮辋体单侧胎圈座上受到的径向力；b为轮胎与轮辋体接触面宽度；rb为轮胎与轮辋体接触面半径；θ0为余弦载荷分布范围的半角；θ为轮辋总成上径向分布力的角度。

(2)加载面：为轮胎与轮辋接触的面，方向与合力同向；考虑螺栓预紧力。

(3)约束：轮辋螺栓孔位置X、Y、Z三个方向的自由度。

1.2 弯曲载荷工况

(1)载荷F：在轮辋连接桥的中心处施加一个平行于轮辋安装面的力。试验载荷F按如下公式[15]计算：

(2)

式(2)中：Fv为车轮最大静载荷；S为强化实验系数，也为动载系数；μ为轮胎与路面摩擦系数；R为轮胎静力负荷半径；d为轮辋轮辐偏距；L为受力点力臂长度。

(2)加载面：安装轮辋桥体中心位置。

(3)约束：约束轮辋外侧X、Y、Z三个方向自由度。

轮辋螺栓强度：M14细牙，10.9级。

1.3 网格划分

轮辋装配体模型网格划分时都使用二阶单元，轮辋体使用四面体单元划分网格，网格尺寸为3.8mm，轮辋体上的辐板位置局部设置面网格尺寸为3mm；轮毂模型将螺栓安装台阶切割出来与轮毂分别划分网格，轮毂使用四面体单元，网格尺寸为5mm，螺栓安装台阶使用MultiZone方法划分三棱柱单元，网格尺寸为3mm；螺栓与螺母使用MultiZone方法划分六面体单元，网格尺寸为2.5mm，最终得到的轮辋网格模型如图2所示，包含327137个单元，715037个节点。

图2 轮辋装配体网格模型

1.4 不同工况下的有限元模型

采用 Solid Works 软件进行建模和局部简化后，通过ANSYS 有限元仿真软件使用三维实体单元对轮辋总成进行网格划分，为了提高计算精度，使模型更加精确，在轮辋厚度方向上需至少保证有3层的网格单元，轮辐与轮辋体的焊接关系通过共用节点模式进行模拟。弯曲载荷工况下，约束轮辋体上远离轮辐端的端面，对轮辐施加弯曲载荷和螺栓预紧力；径向载荷工况下，约束轮辐并对螺栓施加预紧力，对轮辋体施加径向载荷。两种工况下的有限元模型和载荷施加分布如图3所示。

(a)径向载荷工况

2 分析结果

根据上述载荷加载，对轮辋螺栓、轮辋在径向载荷工况和弯曲载荷工况下分别进行强度校核。

2.1 轮辋分析

根据计算，轮辋仿真结果如图4所示。

(a)径向载荷工况

从仿真结果可以看出，轮辋的在轮辋螺栓安装孔处产生最大应力，其应力值为650MPa，但该应力主要是压应力。

2.2 轮辋螺栓分析

根据计算，轮辋螺栓的仿真结果如图5所示。

(a)径向载荷工况

轮辋螺栓的判断根据标准VDI 2330进行。标准VDI 2230为德国高强度螺栓连接的系统计算，被公认为国际上作为计算高强度螺栓连接的标准工作。其假设了有关加装和集合参数的知识，并适用于单螺栓的连接。文章以次标准为基础，以螺栓的几何尺寸、特性参数以及螺栓所受反力和反力矩作为初始条件，计算得到轮辋螺栓的几种安全系数，如表1所示。