基于輕量化的重卡駕駛室舉升系統設計

馬賀賀

基于輕量化的重卡駕駛室舉升系統設計

馬賀賀

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221000）

重卡車輛輕量化要求不斷提高，對駕駛室舉升系統零部件進行輕量化設計也必不可少。文章主要從舉升缸的布置、舉升缸的選型、液壓泵的匹配、液壓缸下支架的輕量化優化幾個方向進行分析，從輕量化方向闡述各部件的設計要點，為舉升系統的輕量化設計提供一種思路。

重卡；駕駛室；輕量化；舉升系統

引言

隨著能源緊張國際油價上漲以及環境治理，對于整車節能減排的需求日益加強，重卡車型的輕量化是有效提升車輛的運輸效率和提升用戶運營經濟效益的重要手段。現重卡車輛輕量化主要對底盤結構件進行輕量化，駕駛室翻轉舉升系統各部件為保證駕駛室舉升的安全性，結構強度安全余量均較大，本文主要研究駕駛室翻轉舉升系統的輕量化設計。

1 重卡駕駛室舉升系統的介紹

重卡為方便發動機艙的維修，通過液壓缸和液壓泵組成的舉升系統將駕駛室翻轉到一定角度[1]。液壓缸下支架螺接在車架上，液壓缸與液壓缸下支架通過銷軸鉸接。駕駛室在舉升液壓缸的作用下，從水平舉升到一定角度，在舉升過程中駕駛室分別對液壓缸下支架施加不同的壓力和拉力。駕駛室舉升系統功能比較單一，作為整車的附屬系統，能滿足駕駛室平穩安全的舉升回落滿足使用要求即可。

1.1 舉升系統的布置

根據駕駛室發動機艙的大小以及發動機及冷卻模塊的布置位置進行駕駛室翻轉校核，駕駛室翻轉的最大角度能滿足發動機的維修和接近便可。通過校核當駕駛室翻轉角度達到58°時，底盤系統的方便性較好，故駕駛室最大翻轉角度為58°。

駕駛室重心和駕駛室翻轉點的位置進行計算，當駕駛室翻轉到40°時，駕駛室重心與駕駛室翻轉點垂向在一條線上，駕駛室翻轉58°就要越過翻轉軸心18°，駕駛室越過重心后舉升缸對駕駛室施加拉力，由駕駛室翻轉角度和舉升缸受力情況，同時結合底盤車架系統的布置邊界和駕駛室地板梁的位置對液壓缸上下安裝點進行布置。

圖1 舉升缸前頂、后頂布置形式

根據整車布置空間，在舉升缸靠近車架側面和駕駛室地板梁位置，駕駛室舉升缸布置前頂位置時如圖1所示，舉升缸與發動機本體干涉，故需將舉升缸向車架外側移動，且根據發動機外邊界要求，需將液壓缸下安裝點位置前移，方可避免與發動機干涉，通過調整將舉升缸布置為后頂形式如圖2所示。

2 舉升系統輕量化設計

舉升系統重量主要集中在舉升液壓缸下支架、舉升液壓缸、舉升液壓泵三個主要零部件上，舉升系統的輕量化設計主要從以上四個零件展開，具體如下：

2.1 液壓缸的設計

在液壓缸選型上，在滿足強度和系統壓力的要求下，為降低液壓缸重量，應匹配液壓缸直徑、活塞桿直徑更小，安裝尺寸更小的油缸。

在實現駕駛室翻轉一定角度基礎上，液壓缸布置的與翻轉軸越近，對液壓缸的承載力要求就越高，工作行程就相應減短；反之距離越遠，對液壓缸的承載力要求就越低，但對液壓缸工作行程就相應加長[2]。

同時液壓缸布置和其他周邊零件的間隙校核；在駕駛室舉升翻轉的整個過程中，液壓缸與周邊零件間隙應大于25mm；最終確定液壓缸下支點位置，液壓缸的安裝距為590mm，在最小安裝距的情況下實現活塞桿的最大行程使駕駛室翻轉到最大58°。

根據油缸工作原理不同，液壓缸分為差動式液壓缸和非差動式液壓缸；差動式液壓缸與非差動式液壓缸的特點對比如下：

表1 液壓缸特點對比

為追求更小的系統壓力，提高系統的使用可靠性，同時降低手動操作力，減小活塞桿直徑降低液壓缸的重量；選擇非差動液壓缸用于系統設計。

2.1.1液壓油缸的受力計算

設駕駛室的質量為M，駕駛室的重力力臂H；液壓油缸的舉升力為F，液壓油缸的舉升力臂為L；得MGH=FL，則F=MGH/L。

由M=850kg，g取10N/kg，由于重力力臂H與舉升力臂L隨著翻轉角度的變化而變化[3]，由駕駛室舉升系統液壓缸上、下支點、翻轉中心等關鍵硬點確定，導入動力學仿真分析軟件Admas，輸入駕駛室重心位置、駕駛室質量、液壓缸的行程進行動力學的計算；通過仿真分析發現駕駛室翻轉45°時，駕駛室重心越過旋轉中心開始自由下落，液壓缸對駕駛室施加拉力，在舉升油缸達到最大行程時駕駛室翻轉58°。

舉升力的曲線如下圖所示：

由圖3可知液壓油缸的舉升推力隨著翻轉角度的增大而減小，當駕駛室重心與駕駛室翻轉點垂向在一條線上時，舉升推力為0；駕駛室繼續翻轉舉升油缸對駕駛室的力由推力變為拉力，隨著角度繼續增大拉力快速增大，則舉升力在駕駛室水平位置時推力最大F推=18842N，翻轉到最大角度時油缸承受最大拉力F拉=23597N。

2.1.2液壓缸系統壓力計算及油缸缸徑的選擇

油缸舉升力F與活塞的有效面積A及油缸內的工作壓力P有關，F=PxA。由于駕駛室翻轉不過重心故最大力在舉升開始時，由活塞的有效面積A=πr2，液壓油缸的公稱壓力選取25Mpa等級，由液壓缸的負載效率為理論值的85%，當取其負載效率為85%時，則推出的油缸內徑D<46mm，則取油缸內徑為45mm等級；則活塞桿直徑選取32mm等級（選取通用油缸缸徑及活塞桿直徑）；

①通過活塞桿直徑強度校核：d≥[4F/π(σ)]1/2

d—活塞桿直徑；F—液壓缸的負載；（σ）—活塞桿材料許用應力，（σ）=σb/n，n=1.4。活塞桿一般選用45鋼，其調質后的抗拉強度大于590Mpa，通過計算得，當d>20mm時則強度滿足使用要求，故活塞桿選取32mm時，完全滿足使用要求[4]。

②活塞桿穩定性校核，當活塞桿長度與活塞桿直徑比值大于15時需進行穩定性校核。由液壓缸的安裝距為590mm，活塞桿長度為360mm，有計算可知，360/32=11.25<15，活塞桿不存在失穩的可能性。由以上驗算可得，當活塞桿直徑為32mm時，完全滿足使用要求。

系統壓力的計算：

根據負載和油缸的缸筒內徑選擇以及非差動油缸的特點，計算得工作壓力為15.6Mpa<20 Mpa，系統壓力較小，對系統零部件的沖擊較小。

③當駕駛室翻轉過重心后，液壓缸對駕駛室施加拉力至翻轉到最大角度，油缸承受最大拉力F拉=23597N，液壓缸在40000N拉力后無脫落，故對油缸受拉的強度不在進行校核；

2.2 舉升油量計算及液壓泵油罐的選擇

在裝配時液壓缸為滿油，在計算舉升系統的用油量時，只需考慮液壓油管和液壓缸運動行程范圍內的需油量即可；通過計算液壓油管總長度為8000mm，液壓缸的缸筒直徑為45mm液壓缸行程為315mm，液壓缸下浮動行程為45mm，活塞桿直徑32mm。

在舉升翻轉時液壓缸總用油量計算說明：油泵需加注油量為兩部分，分別為駕駛室舉升所需的油量Q主，油泵油缸之間油管之間的油量Q油管，系統排氣調整損失Q損；

油泵加油量為Q主＋Q油管＋Q損=325＋100+100=525ml

在舉升翻轉時液壓缸總用油量為525ml，由液壓泵油罐液壓油在舉升到最大角度時，油罐油量應剩余30%以上，故液壓液壓泵油罐選擇820ml，當駕駛室舉升到最大角度時，油泵剩余量為820-525=295 ml，油箱剩余的油量比例為295/820=36%，能夠保證系統的排氣及駕駛室的正常舉升；同時在匹配油罐時，油罐材質為選用尼龍材質，密度低，降低多余油量的加注和罐體重量。

2.3 液壓缸下支架的設計

為保證駕駛室在車輛全生命周期內的安全翻轉，液壓缸下支架的強度必須滿足極限工況的要求。由于駕駛室的翻轉只在車輛停車維修狀態下操作使用，故只需考慮駕駛室翻轉過程中的受力情況進行設計。

2.3.1仿真分析與優化

通過對方案一的強度分析，計算結果應力云圖如下：

圖3 駕駛室翻轉0°和58°位置

由應力云圖可知，液壓缸下支架最大應力為354Mpa，應力最大點均出現在液壓缸下支架根部凸臺安裝面與縱梁螺栓連接處，均為擠壓應力非破壞風險點，故不進行考慮；而液壓缸下支架其他部位應力均小于177Mpa，安全系數為1.75，滿足使用要求。

2.3.2優化改進

方案一支架強度滿足使用要求，但整體較重，成本較高；為減輕重量，在方案一的基礎上進行輕量化設計，輕量化設計的思路如下：

①提高零件材料性能，選用ZGD650-830；②去除對零件受力結構貢獻較小的部分；③對關鍵受力點增加筋的支撐，增加受力截面；

優化方案：通過應力云圖分析支架各部位的受力情況，將支架受力較小部位壁厚降到6mm，同時加大減重孔；在液壓缸下支架關鍵受力部位采用筋肋結構提高強度，只保留關鍵連接點，去除多余材料等措施，將液壓缸下支架重量降低到3.4Kg；

對優化的液壓缸下支架分析驗證，按照上述載荷邊界進行計算，應力云圖如下：

圖4 駕駛室翻轉0°和58°位置

由應力云圖可知，液壓缸下支架的強度在兩種不同工況下，關鍵受力部位的應力均較小，綜合所述，優化后液壓缸下支架輕量化效果明顯達到21%，同時結構強度滿足駕駛室翻轉受力要求。

3 總結

為提升重卡的輕量化水平，對整車的附屬系統進行輕量化設計，成為整車輕量化的重要方向。本文上主要從理論分析上對舉升系統各部件進行輕量化設計，為保證駕駛室的舉升安全性，下一步還需進行各零部件的可靠性驗證，以滿足整車生命周期的使用要求。

[1] 潘習炎,段奇德,朱碧霞.汽車駕駛室液壓翻轉機構的設計與制造[J].汽車科技,2001,(4):10-12.

[2] 周福庚,重型車駕駛室翻轉液壓缸最優安裝位置研究[J].合肥工業大學學報,2013,(1):29-30.

[3] 姜帆.駕駛室的液壓翻轉機構設計[J].汽車實用技術,2011,(4):32- 36.

[4] 蘇欣平,劉士通.工程機械液壓與液力傳動[M].北京:中國電力出版社,2009.

Design of Heavy Cab Lifting System Based on Lightweigh

Ma Hehe

( Xuzhou Xugong Automobile Manufacturing Co. LTD, Jiangsu Xuzhou 221000 )

Requirements for lightweight heavy truck vehicles have been raised,It is also necessary to design lightweight components for cab lifting system.This paper mainly analyzes the layout of the lifting cylinder, the selection of the lifting cylinder, the matching of the hydraulic pump and the lightweight optimization of the support under the hydraulic cylinder,the design key points of each component are expounded in light weight direction,it provides an idea for the lightweight design of lifting system.

Heavy truck;Cab;Lightweight; Lifting system

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.018

U463.8

A

1671-7988(2021)06-60-03

U463.8

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1671-7988(2021)06-60-03

馬賀賀（1990-），男，助理工程師，本科，就職于徐州徐工汽車制造有限公司，從事車身總布置及駕駛室懸置舉升系統研究。