低底盤掛裝車液壓駐車裝置設(shè)計(jì)及有限元仿真

王 輝，鄭再象，王世楠，劉龍婷，王維偉

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

液壓駐車裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載力大、自動(dòng)化程度高且易于實(shí)現(xiàn)集中控制等特點(diǎn)，在工程車輛、航空裝卸、大型設(shè)備制造等場(chǎng)合中得到廣泛應(yīng)用［1］。液壓駐車裝置由固定支架、液壓缸組件、駐車腳撐等主要部件組成［2－3］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)駐車裝置的設(shè)計(jì)研究主要在于使工程車輛等實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)作業(yè)并提高車架的剛度［4－6］。但對(duì)于某些特種車輛，由于其主體尺寸的限制，底盤要求設(shè)計(jì)的很低，使傳統(tǒng)液壓駐車裝置無(wú)法滿足越障的要求［7－8］。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種可用于低底盤掛裝車的液壓駐車裝置，保留傳統(tǒng)駐車裝置的功能，必要時(shí)也可實(shí)現(xiàn)越障。

1 液壓駐車裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

在不改變低底盤掛裝車主體結(jié)構(gòu)的前提下使其具有一定的通過(guò)性，則需要對(duì)液壓駐車裝置作出相應(yīng)的改進(jìn)。本文設(shè)計(jì)的液壓駐車裝置可在駐車作業(yè)與短距離越障行駛之間自由切換：當(dāng)進(jìn)行駐車作業(yè)時(shí)，液壓桿下端連接駐車腳撐；當(dāng)需要越障時(shí)，液壓桿下端則連接萬(wàn)向輪組。為了使駐車腳撐和萬(wàn)向輪組實(shí)現(xiàn)快速裝拆，設(shè)計(jì)一種快卸連接裝置。考慮到液壓系統(tǒng)故障或蓄電池電量耗盡等工況，在液壓缸外圈設(shè)有螺紋，可通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)駐車。兩種工況的裝配圖分別如圖1、圖2所示。

1.2 具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用SolidWorks設(shè)計(jì)出液壓駐車裝置三維模型后再生成二維圖，裝有駐車腳撐和萬(wàn)向輪組的駐車裝置主視圖分別如圖3、圖4所示。

液壓缸組件、萬(wàn)向輪組件及快卸裝置（由上、下快裝套兩部分組成）具體結(jié)構(gòu)分別如圖5～圖7所示。

圖2 裝有萬(wàn)向輪組的裝配圖

圖1 裝有駐車腳撐的裝配圖

圖3 裝有駐車腳撐的駐車裝置主視圖

圖4 裝有萬(wàn)向輪組的駐車裝置主視圖

1.3 工作原理

進(jìn)行掛裝作業(yè)時(shí)，如圖3所示，內(nèi)圈帶有矩形螺紋的駐車支架3固定于車架上，液壓缸組件（見圖5）通過(guò)液壓缸筒2外圈的矩形螺紋固定于駐車支架上，上快裝套5通過(guò)螺紋連接固定在液壓桿4下端，下快裝套6亦通過(guò)螺紋連接固定于駐車腳撐7上方。由于駐車腳撐與液壓桿的配合為矩形孔配合，約束了5個(gè)自由度，剩下的z軸移動(dòng)自由度由上、下快裝套約束。上、下快裝套的材料均為片簧，可實(shí)現(xiàn)小位移變形并恢復(fù)。上、下快裝套擰緊時(shí)，其梯形槽口平面相互平行，只需將駐車腳撐推入到液壓缸矩形孔一段距離，上下快裝套即可連接。

圖5 液壓缸組件

圖6 萬(wàn)向輪組件

圖7 快卸裝置

進(jìn)行短時(shí)間越障時(shí)，如圖4所示，只需將駐車腳撐抬起并越過(guò)上快裝套5的擋板，旋轉(zhuǎn)上或下快裝套一定角度，使下快裝套耳片對(duì)準(zhǔn)上快裝套槽口即可取下駐車腳撐，同樣方法換上萬(wàn)向輪組件（見圖6）即可。

當(dāng)遇到駐車液壓系統(tǒng)故障，或動(dòng)力裝置不工作等特殊工況，可手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄，液壓缸筒下行，使駐車裝置與地面接觸。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元仿真

2.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的確定

一方面，掛裝車正常作業(yè)時(shí)，液壓駐車裝置是裝配駐車腳撐進(jìn)行工作，對(duì)于需要短距離越障的特殊工況才裝配萬(wàn)向輪組工作；另一方面，萬(wàn)向輪組中連接螺桿與駐車腳撐的結(jié)構(gòu)類似，材料也相同。因此，選擇駐車腳撐作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。

2.2 有限元模型的建立

駐車腳撐材料為Q235，材料性能參數(shù)見表1。

表1 Q235的主要性能參數(shù)

建立駐車腳撐有限元模型如圖8所示，模型采用t、mm、s、MPa單位制。對(duì)3D網(wǎng)格進(jìn)行find face檢查，發(fā)現(xiàn)面網(wǎng)格無(wú)自由邊與T形邊，有較好的連續(xù)性（見圖9），網(wǎng)格單元總數(shù)為1 358 282，節(jié)點(diǎn)數(shù)為143 078，其中六面體單元CHEXA＝135 795，五面體單元CPENTA＝33，非六面體單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總單元數(shù)的3%，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

2.3 約束與載荷

掛裝車總質(zhì)量為1 400kg，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其舉升能力為750kg。液壓駐車裝置承受載荷F＝（1 400＋750）×9.8＝21 070N，單個(gè)液壓駐車裝置受力為F／4＝5 267.5N，以集中力的方式施加在駐車腳撐頂端平面的中心。邊界條件為：約束駐車腳撐底端平面節(jié)點(diǎn)的x、y、z軸方向的移動(dòng)自由度及y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。有限元模型加載及約束如圖10所示。

圖8 駐車腳撐有限元模型

圖9 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

圖10 有限元模型加載及約束

2.4 強(qiáng)度與剛度分析

添加約束和載荷后，仿真得到的駐車腳撐應(yīng)力云圖和位移云圖如圖11、圖12所示。

圖11 駐車腳撐應(yīng)力云圖

圖12 駐車腳撐位移云圖

由圖11可知：駐車腳撐的最大應(yīng)力為187.1 MPa，出現(xiàn)在圓柱體與正方體的交界處，此界面有過(guò)渡，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。由表1可知，駐車腳撐材料Q235的屈服強(qiáng)度為235MPa，所以駐車腳撐的最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖12可知：駐車腳撐的最大位移出現(xiàn)在最上端，為0.078 7mm，由于載荷直接施加在駐車腳撐最上端，因此最上端位移最大，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。根據(jù)掛裝作業(yè)精度要求，最大位移量不能超過(guò)0.2mm，駐車腳撐產(chǎn)生的最大位移量在允許的范圍內(nèi)，滿足剛度要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)低底盤掛裝車通過(guò)性差的問(wèn)題，在不改變掛裝車主體尺寸的情況下，設(shè)計(jì)了一種液壓駐車裝置。在掛裝作業(yè)時(shí)在液壓桿下端安裝駐車腳撐，在短距離越障時(shí)則安裝萬(wàn)向輪組。為使兩者切換方便，設(shè)計(jì)有快卸裝置配合使用。最后使用有限元軟件Hyperworks對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核，結(jié)果顯示其強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。