一种悬臂式车用液压尾板的设计

王海涛　闫晨阳　于众　王建广　宁欣

摘 要：设计了一种悬臂式车用液压尾板，介绍了尾板的运行原理及组成部件，利用三维设计软件Solidworks进行了三维建模，将模型简化后导入有限元分析软件Ansysworkbench进行了最大应力及位移分析，并对尾板液压系统、电控系统进行了设计。

关键词：液压尾板 承载平台 有限元分析 液压控制系统 电控系统

1 前言

在我国公路运输因其适应性广、覆盖地区广、类型多等特点，其在货运行业中占领着较大的体量。随着十四五期间中国公路交通基础建设相关政策的支持，全国公路基础建设高质量发展，极大的满足了我国公路货运日益增加的需求，为全国经济快速发展保驾护航。在公路运输车辆装卸货物时，特别是大质量货物，单人作业时往往非常不便。在此前提下为了降低公路运输车辆装卸货物时操作者的劳动强度、提高装卸效率车用液压尾板应运而生。车用液压尾板是安装于卡车、货车和各种公路运输车辆尾部的一种以车载蓄电池为动力的液压举升装置。可大幅度提高公路车辆对货物的运输及装卸效率，节省成本，是现代化公路运输的必备设备之一。车用液压尾板可广泛使用于邮政、金融、石化、商业、食品、物流、制造等各行业。随着《车用起重尾板安装与使用技术要求》（GB/T 37706-2019）国家标准的发布以及交通运输部、工业和信息化部、公安部、市场监管总局关于做好《车用起重尾板安装与使用技术要求》贯彻实施工作的通知的下发，进一步规范了尾板安装使用，在制度层面促进了尾板安装的合规合法化。本文设计了一种针对重卡车型适用的车用液压尾板。

2 车用液压尾板的典型结构型式、机构原理及组成部件

2.1 尾板升降机构典型结构

目前市面上主流车用液压尾板升降机构结构形式主要有悬臂式、垂直升降式、折叠式。

各结构形式液压尾板图示如下：

悬臂式车用液压尾板对车辆改装要求不高，对各种车型适应性强。内部结构举升装置大多采用平行四边形结构，在承载货物过程中运行平稳，额定载重量大、结构可靠性强、故障率低。同时尾板承载平台可替代车辆尾门或尾箱板，与整车集成度高，降低车辆整备质量[1]。故本文所示车用液压尾板结构采用悬臂式，对其进行设计研究。

2.2 机构原理

根据市面上主流重卡车型基本参数，初选车用液压尾板举升高度1500mm，尾板额定载荷1.5t。如图2所示：杆AB、CD、举升架BD、及机架AC构成平行四边形机构，通过改变液压缸FE长度实现平行四边机构绕A点的圆周运动，举升架BD托举承载平台GH，实现承载货物的举升[2]。取液压尾板的举升高度为1500mm，额定载重量为1.5t作为初设已知参数。由图中可以看出，承载平台举升过程中，液压缸摆动角度较小。故此类液压尾板结构尺寸对整车车身纵向增长量影响不大，对车辆改装适应性较强。

2.3 受力分析

因液压尾板沿车身纵向平面左右对称，故转化为平面机构。仅需选择单侧进行受力分析即可。取杆AB为研究对象，根据经典力学可得举升开始阶段杆AB受力Fb最大：其中Fa为承重载荷，Fb为液压缸支撑力，对A点取矩列力矩平衡方程：Fa×L1=Fb×L2式中L1=445mm、L2=89mm。Fa约15000N，求得Fb=75000N，即单个液压缸支撑力必须大于37500N。

2.4 液压缸设计

根据液压尾板结构特点选取单作用液压缸作为尾板升降机构主动件，结合目前市面上常见的齿轮泵规格，初选系统压力Pa=14MPa、活塞杆直径d=30mm，根据机械设计手册相关资料d=D，式中D为液压缸缸体内径。取D=70mm。计算单个液压缸所提供举升力：Ft=Pa×=43960N故满足设计需求。根据公式求得液压缸缸体壁厚δ≥4.45mm，取δ=6.5mm。结合举升高度1500mm及机构简图所示，当液压尾板承重板面与地面贴合时，液压缸FE长度1000.82mm，当液压尾板承载平台举升至1500mm高度时，液压缸FE长度656.2mm。故取液压缸闭合尺寸645mm，行程360mm。完成液压缸主要参数确定。

2.5 组成部件及运行

根据初设条件参数及计算参数，设计该液压尾板结构方案，如图4所示：尾板主要由大立柱、举升油缸、手摇绞盘、四连杆上、四连杆下、举升架、承载平台、电气控制箱、液压泵组等组成。其中承载平台矩形框架由矩形钢管焊接而成，表面蒙皮防滑菱形花纹钢板，承载平台与举升架之间通过转轴构成旋转副，将手摇绞盘钢丝绳组件与承载平台挂接，利用手摇绞盘可在90°范围内旋转承载平台，实现承载平台的收放。大支架、举升机横截面为U形钢板折弯件，重量轻便。U形大支架内置液压缸固定座，通过销轴连接液压缸，液压缸嵌入U形大支架内部，减小尾板装车后车辆纵向尺寸增加量。大支架作为整个液压尾板的机架与车辆车厢尾部立柱通过螺栓组连接。大支架、四连杆上、四连杆下、举升架等构成平行四边形机构。液压缸为单作用油缸，为平行四边形机构提供牵引力，实现承载平台的上升动作。承载平台的下降则依靠平台及所装载的货物自重。液压尾板在制成过程中可将连接板与左、右大支架焊接成H形，形成独立机架后装配液压尾板其余机械零部件，承载平台收起后利用插销所将承载平台与大支架固定，防止平行四边形机构展开。液压尾板运输至使用客户处时，尾板机械部分可整体发运。这样在尾板装配至车辆时用户利用起吊设备吊装尾板至相应位置，利用螺栓组连接左、右大立柱，即可完成液压尾板机械部分的安装。降低了液压尾板的装配难度。

1承载平台  2举升架  3四连杆上  4四连杆下  5插销锁  6大立柱  7连接板  8车厢立柱  9车厢（部分）  10动力总成  11手动泵  12电控箱  13手摇绞盘  14绞盘挂钩

3 液压尾板的三维建模与有限元仿真分析

3.1 三维建模

利用三维软件Solidworks对液压尾板各部分零部件进行三维建模。尾板三维模型如图5所示。

3.2 有限元仿真分析

为验证该设计方案的合理性，利用有限元仿真分析软件Ansysworkbench，将Solidworks所绘制尾板三维模型导入，针对所选不同的矩形管、U形折弯板材进行了一定程度的结构简化。以实体单元solid186为基础对计算模型进行网格划分，对该结构方案中承载平台进行静强度分析，对整个液压尾板结构进行运动瞬态分析[4]。

3.2.1 承载平台强度静态分析

固定约束承载平台与举升架底托接触位

置，铰支约束承载平台翻转位置，

在承载平台中心处施加1.5t×110%

的载荷，承载平台最大应力出现在

与举升架接触位置，大小为

142.7MPa。如图6所示。

3.2.2 举升运动瞬态分析

对液压尾板升降机构进行举升运动瞬态分析，载荷及边界条件如表1所示。

（1）机构最大应力出现在油缸铰接孔位置处，忽略应力集中点，最大平均应力为426.5MPa。举升架最大应力出现在举升托板与折弯板焊接位置，忽略应力集中点，最大应力为416MPa。大支架螺栓安装孔处最大应力为159MPa。举升运动瞬态应力分布云图如图7。

（2）举升运动瞬态变形如图8所示，其中机构最大挠度为30.2mm，最大位移出现在承重板悬臂远端。承载平台端部位移为12.2mm，中部位移为20.2mm，翘曲变形量为8mm。四连杆最大变形量为8mm。

4 液压传动系统的设计

结合举升高度、额定承载重量、结构形式，选用两个单作用液压缸作为执行元件，选用齿轮泵提供液压能。液压缸有杆腔为工作腔，有杆腔充油时液压缸活塞拉动平行四边形机构，承载平台上升。当承载平台需要下降时，液压回路中两位两通常闭电磁阀得电，依靠承载平台的自重承载平台下降，液压缸有杆腔内液压油被活塞压回油箱。为了保证承载平台运行平稳，需保证两缸同步工作，在液压油路中配置分流马达，齿轮泵提供的液压油两缸平均分配，压力近似相等。由车载电源为齿轮泵电机供电，考虑到尾板使用过程中如车载电瓶匮电、齿轮泵损坏等突发情况，在整套液压传动系统中加装手动泵，利用随车工具人工驱动，提高液压尾板的环境适应性。另考虑当车辆长期贮存时，为了保证承载平台不发生下滑现象，在分流马达和齿轮泵之间加装单向球阀。车辆长期驻车时关闭单向球阀、切断液压回路，使液压尾板具有液压锁止功能。液压缸有杆腔内液压油在不发生泄漏、渗漏的情况下，可长期保持举升平台举升位置[3]。液压系统原理图如图9所示。

5 电控系统设计

因液压传动系统和液压控制系统在作用原理上通常是相同的，在具体结构上也多半是合在一起的，目前广泛使用开关控制系统来控制液压系统。为了便于作业人员操作液压尾板，整个液压尾板配置3种操作模式，即电气控制箱操作、有限手持开关操作、无线手持开关操作。电气控制箱可装配至车辆右后侧，与整车大梁螺栓连接。电气控制箱作为控制回路操作元件，控制齿轮泵组电机、两位两通电磁阀。实现液压尾板的上升与下降。有线手持开关、无线手持开关与电气控制箱等效，使用有线、无线手持开关操作液压尾板，即便于控制液压尾板承载平台的上升、下降又便于对货物举升过程中是否倾倒、跌落等情况的观察，同时使液压尾板具有了在一定范围内远程操作控制的能力。液压尾板电气原理图如图10所示。

6 结论

设计了一种基于平行四边形机构的悬臂式车用液压尾板，利用Solidworks进行了三维建模，在Ansysworkbench下对尾板重要零部件：承载平台、举升机及四连杆上进行了应力分析，对整个液压尾板进行了举升瞬态分析，确定了最大应力、最大位移的位置及数值，可根据其进行关键零部件的优化设计。同时对尾板液压系统、电气控制系统进行了设计。该设计方案（2个液压缸）有别与市面上多液压缸（一般为4缸）车用尾板，在一定程度上降低了制造成本。同时采用手摇绞盘实现承载平台的翻转，液压系统中搭载手动泵，这样即使突发齿轮泵损坏，车用电瓶馈电等情况，液压尾板也可依靠人力继续应急使用。大大提升了车用液压尾板的适应性。

参考文献：

[1]李国雄.车载液压起重尾板的功能和结构特点[J].物流技术，2003，06（01）：26-28.

[2]刘茂武，贾巨民，冯仁余. 汽车尾板技术中传动用平面连杆机构的运动分析[C]//中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会.第十四届全国机构学学术研讨会暨第二届海峡两岸机构学学术交流会论文集.《机械设计与研究》杂志社，2004：155-156.

[3]王伟.汽车尾板液压系统的改进设计[J].机床与液压，2009，37（04）：176-177+172.

[4]程东霁，胡雯婷，雷定中，等.汽车尾板举升机构的设计及有限元分析[J].皖西学院学报，2014，30（02）：49-51.