限位拉帶支座失效模式分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

姬虎艷

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

重型軍用越野車駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)有兩種方式：?jiǎn)闻e升液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和雙舉升液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)。防護(hù)性駕駛室由于自重原因大多采用雙舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，駕駛室可翻轉(zhuǎn)30°（不翻過駕駛室重心）左右，舉升缸自帶機(jī)械鎖止系統(tǒng)防止油缸非正常泄壓造成安全事故。普通薄鋼板駕駛室因自重較輕翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)多數(shù)采用單舉升液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，駕駛室翻轉(zhuǎn)角度可達(dá)70°（翻過駕駛室重心）以上，為確保駕駛室實(shí)現(xiàn)安全、快速地向前方翻轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)有翻轉(zhuǎn)拉帶，防止過重心時(shí)沖擊載荷對(duì)舉升油缸造成損壞而使駕駛室向前方墜落。因而固定翻轉(zhuǎn)拉帶的拉帶座設(shè)計(jì)就非常重要，必須能承載多次沖擊載荷而不出現(xiàn)疲勞斷裂。

1 拉帶座問題的提出

1.1問題出現(xiàn)背景

重型軍車越野車由于載重量大，越野本領(lǐng)強(qiáng)，在自然災(zāi)害出現(xiàn)后能在各種惡劣工況下將物資與救援人員及時(shí)運(yùn)送到所需目的地點(diǎn)，顯示出其優(yōu)越的軍品性能。為了更好的服務(wù)于民，陜汽軍車除了嚴(yán)格把控質(zhì)量，更是花費(fèi)大量人力物力走訪部隊(duì)，調(diào)研各類型軍車在日常使用和維護(hù)中出現(xiàn)的問題，記錄并反饋設(shè)計(jì)，待分析改進(jìn)并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證合格后更改替換原件。走訪中發(fā)現(xiàn)單舉升液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)拉帶座有個(gè)別開裂現(xiàn)象，必須換件并重新分析設(shè)計(jì)該部位，避免發(fā)生安全事故。

1.2 單舉升翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)

單舉升液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由搖臂焊接總成、翻轉(zhuǎn)軸、雙向舉升油缸、油缸固定支架、翻轉(zhuǎn)拉帶、翻轉(zhuǎn)拉帶座、高壓油管、后懸鎖止機(jī)構(gòu)、液壓油泵組成。搖臂焊接總成包括左、右搖臂總成和穩(wěn)定桿，左右搖臂總成一端固定在車架上，與穩(wěn)定桿焊接的一端通過翻轉(zhuǎn)軸與駕駛室左右縱梁連接，形成翻轉(zhuǎn)裝置的前翻轉(zhuǎn)中心。雙向舉升油缸下端通過油缸固定支架裝配于車架上，上端通過軸吊耳與駕駛室右縱梁外側(cè)固定，翻轉(zhuǎn)拉帶固定于駕駛室縱梁內(nèi)側(cè)，高壓軟管將后懸鎖止機(jī)構(gòu)、液壓油泵和舉升油缸連接起來，形成液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)（見圖1）。工作時(shí)，將液壓油泵的手柄轉(zhuǎn)到上升狀態(tài)位置，通過油泵操作口將泵中液壓油通過高壓軟管傳送到駕駛室后懸鎖止機(jī)構(gòu)和雙向舉升油缸處，由于開啟壓力設(shè)置，后懸鎖止打開之后舉升油缸開始工作，直至駕駛室翻轉(zhuǎn)過重心開始檢修工作。

圖1 拉帶座安裝示意圖

1.3 拉帶座形式

拉帶座最初設(shè)計(jì)均為鑄件。由于鑄件生產(chǎn)成本低，鑄造性能好，鑄件的形狀、尺寸與零件很接近，切削量少，減震性及耐磨性好，缺口敏感性低并具有較好的熱處理性能等優(yōu)點(diǎn)在重型車上大量應(yīng)用。但是鑄造生產(chǎn)工序多、投料多、質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率相對(duì)高，內(nèi)部缺陷不易探查，適用于批量大，受力較小部件，在用件量較小時(shí)易造成缺件或庫存積壓。車架寬度較大時(shí)，原拉帶座整體較薄，受力部位相對(duì)較厚，導(dǎo)致薄的部位易澆注不足，厚的部位和薄厚轉(zhuǎn)接處的地方易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷，若該部位受到?jīng)_擊載荷則斷裂幾率大大增加，拉帶座和拉帶對(duì)雙向舉升油缸有至關(guān)重要的安全防護(hù)效果，耐疲勞耐沖擊能力必須高于駕駛室重力在翻轉(zhuǎn)過重心時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。

2 拉帶座結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鑒于拉帶座因焊接缺陷曾發(fā)生開裂現(xiàn)象，我們對(duì)原拉帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。拉帶座壁厚較薄，可考慮用鈑金件代替鑄件。鈑金件具有重量輕、強(qiáng)度高、成本低以及可小量亦可大規(guī)模量產(chǎn)等特點(diǎn)，在汽車制造業(yè)中大量應(yīng)用。鈑金可進(jìn)行剪、沖、折、焊接、拼接等加工工藝，最大特征是同一零件厚度一致。依據(jù)此處受力狀況，選取合適厚度鈑金設(shè)計(jì)拉帶座。

2.1 拉帶座材料選取

拉帶座對(duì)雙向舉升缸起輔助保護(hù)作用，主要承受駕駛室翻過重心時(shí)沖擊力與翻轉(zhuǎn)到位后的拉力，由于用料較少，避免采購不便，選取整車中受力較多部位廣泛使用的材料（見表 1），綜合考慮之后選取 510L。這種材料主要用于汽車大梁、橫梁和懸置等部位，在工作中承受較大的靜載荷，振動(dòng)載荷和沖擊力，材料必須具有良好的強(qiáng)度、韌性、焊接性能、抗疲勞性能和冷成型等綜合性能，完全滿足拉帶座工況。

表1 各種常用材料的力學(xué)性能

2.2 拉帶座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原拉帶座鑄件結(jié)構(gòu)為薄平面加凸起部位組成，除去模型制作困難外，還需加工開口銷小孔與安裝凸臺(tái)孔，裝夾也極其不便。選取同原拉帶座厚度一致的 510L進(jìn)行切割、打孔與折彎成型，通過折彎替代原鑄件突出部位，拉帶通過標(biāo)準(zhǔn)件銷軸與拉帶座連接，加工步驟少，安裝方便。新舊結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2。

圖2 改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

3 改進(jìn)后拉帶座的力學(xué)性能校核

3.1 拉帶座在使用過程中的受力分析

圖3 拉帶受力分析圖

在駕駛室翻轉(zhuǎn)過程中拉帶還未被拉緊（即駕駛室還未翻轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)位置時(shí)）拉帶都處于松曠狀態(tài)并不受力，當(dāng)翻轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)角度時(shí)拉帶突然被拉緊，支座瞬間承受沖擊力，翻轉(zhuǎn)過程拉帶受力示意見圖3。其中：O-翻轉(zhuǎn)中心；C-油缸下支點(diǎn)；K-拉帶下支點(diǎn)；A-油缸上支點(diǎn)；G-駕駛室重心；G'-翻轉(zhuǎn)后重心；B-翻轉(zhuǎn)后油缸上支點(diǎn)；A'-翻轉(zhuǎn)后拉帶上支點(diǎn)。

根據(jù)力矩平衡關(guān)系：

F1--重力 L1--重力力臂 F2--拉帶拉力 L1--拉力力臂

F1=7800N L1=70mm L2=320mm

綜上得：F2=1706N

該力為拉帶在靜態(tài)下的受力，實(shí)際翻轉(zhuǎn)到位時(shí)應(yīng)為沖擊力，則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

F為沖擊力，t為調(diào)整系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1.2～1.5，此處為了安全起見取1.5。F=1706*1.5=2559N。

3.2 改進(jìn)后支座的應(yīng)力應(yīng)變仿真分析

3.2.1 網(wǎng)格劃分

有限元法是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，求解時(shí)對(duì)對(duì)整個(gè)問題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為簡(jiǎn)單的部分，它通過變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。一般情況是劃分單元格越小也就是網(wǎng)格數(shù)量越多越精準(zhǔn)，但是也不能無限度細(xì)化，導(dǎo)致劃分網(wǎng)格時(shí)間與計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)而報(bào)錯(cuò)。由于該件整體較小，比較適合小單元細(xì)密網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為 1mm（見圖 4），使最終結(jié)果更加精準(zhǔn)。

圖4 網(wǎng)格劃分

3.2.2 建立邊界條件

附加約束與載荷邊界條件，將拉帶座安裝孔與被支撐固定部位施加約束，并根據(jù)之前力學(xué)分析的角度與方向施加力，見圖5。a為螺栓固定處約束，b為貼合車架面Z向位移約束，c為根據(jù)圖3分析的拉帶受力方向。

圖5 邊界約束的建立

3.2.3 受力結(jié)果分析

查看拉帶座受力云圖結(jié)果見圖 6，對(duì)比左側(cè)色帶值，可見最大應(yīng)力值為 97.2MPa，遠(yuǎn)小于 510L材料的屈服強(qiáng)度355MPa。

圖6 改進(jìn)后的拉帶支座受力云圖

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)原拉帶支座的失效模式以及原因的剖析，重新進(jìn)行了計(jì)算、設(shè)計(jì)與仿真。實(shí)際試制應(yīng)用后效果良好，有效的解決了原支座斷裂的問題，消除了安全隱患，同時(shí)也為其他受力鑄件提供了設(shè)計(jì)參考。