自行式載重車液壓懸掛機構(gòu)分析

摘要：液壓懸掛是自行式載重車輛采用的一種通用的驅(qū)動承載機構(gòu)，針對液壓懸掛機構(gòu)進行受力狀態(tài)計算，并結(jié)合計算結(jié)果進行懸掛機構(gòu)強度校核，確定機構(gòu)的安全性，為懸掛機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓懸掛；自行式載重車；強度校核

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-03-02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.018

1 前言

自行式載重車是一種運輸大型貨物的常用重載運輸車，多用于港口碼頭貨物裝卸以及超重超大型物件的運輸。該車可由多個軸線拼接而成，根據(jù)載荷不同實現(xiàn)多軸線拼接以實現(xiàn)超重、超大型運輸。液壓懸掛作為自行式重載車的支撐驅(qū)動機構(gòu)，可實現(xiàn)液壓懸掛自驅(qū)動和車身平臺高度調(diào)節(jié)，以滿足裝載需求［1］。懸掛機構(gòu)的性能決定了運輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。本文針對液壓懸掛機構(gòu)承載質(zhì)量大，以及受力工況負載的特點，進行受力分析和強度校核，確保液壓懸掛機構(gòu)的安全可靠，并對懸掛機構(gòu)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 液壓懸掛機構(gòu)組成

自行式載重車采用液壓獨立懸掛系統(tǒng)，每個軸線上有兩個液壓懸掛機構(gòu)，每個液壓懸掛是一個獨立的支撐驅(qū)動單元［2］。如圖1所示，液壓懸掛主要由懸掛支架、平衡臂、車橋、輪胎以及懸掛油缸組成。

1.懸掛支架? 2.懸掛油缸? 3.平衡臂? 4.車橋? 5.輪胎

懸掛支架上端安裝有單列四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承，通過回轉(zhuǎn)支承和車身平臺連接，自行式載重車載荷以及車身平臺自重通過此回轉(zhuǎn)支承傳遞給液壓懸掛機構(gòu)。平衡臂、懸掛油缸以及懸掛支架鉸接在一起組成了三角形穩(wěn)定支撐機構(gòu)，自行式載重車車身的升降由液壓懸掛來實現(xiàn)。懸掛油缸采用柱塞缸結(jié)構(gòu)形式，一端和懸掛支架采用關(guān)節(jié)軸承連接，一端和平衡臂采用球鉸連接。當懸掛油活塞桿缸伸出時，懸掛支架和平衡臂之間的夾角也隨之逐漸增大，車身平臺高度隨之也逐漸伸高；當懸掛油活塞桿缸縮回時，懸掛支架和平衡臂之間的夾角也隨之逐漸減小，車身平臺高度隨之也逐漸降低。通過車身平臺的升降功能可實現(xiàn)自行式載重車貨物的自動裝卸功能，極大地簡化了現(xiàn)場貨物裝卸流程。

液壓懸掛屬于一種主動懸掛，它是通過液壓缸來實現(xiàn)主動力控制的懸掛機構(gòu)，并通過車橋?qū)⒁簤簯覓熵撦d力作用于輪胎上［3-4］。它具有支撐和減震的作用。

3 液壓懸掛機構(gòu)受力分析

自行式載重車由于所運載貨物一般都屬于超重超大型，故而其行駛速度較低，通常速度控制在5 km/h以下。故在對液壓懸掛機構(gòu)進行受力分析時，可忽略輪胎的側(cè)偏現(xiàn)象，對懸掛機構(gòu)受力進行簡化處理。為便于分析，作以下假設(shè)：

a.液壓懸掛對車架的支撐力簡化為集中力。

b.懸掛機構(gòu)中的懸掛油缸簡化為二力桿。

c.忽略行駛過程中風(fēng)載等外負載變化影響。

液壓懸掛機構(gòu)在工作過程中，由于懸掛液壓油缸行程不同，導(dǎo)致液壓懸掛機構(gòu)的受力狀態(tài)也不同，為此這里選取液壓懸掛油缸全部縮回這種受力工況最為惡劣的狀態(tài)進行受力分析。此時自行式載重車處于極限最低高度，相同載荷工況下，懸掛油缸作用力最大［5］。如圖2所示，液壓懸掛機構(gòu)的懸掛油缸處于縮回狀態(tài)，針對此工況對機構(gòu)進受力分析計算。

圖2所示的液壓懸掛機構(gòu)受力狀態(tài)中，N為懸掛載荷所受地面支撐力；N₁、N₂為車橋兩側(cè)輪胎受到地面支撐力，N₁=N₂=N/2；F_c為液壓懸掛油缸作用力；F₁為平衡臂鉸點作用力；H₁為平衡臂鉸點至水平地面的距離；L₁為油缸作用力至平衡臂鉸點力臂；L₂為平衡臂鉸點至車橋中心距離；S為輪胎中心距；S₁、S₂為輪胎中心距車間距離，S₁=S₂=S/2。

下面以單液壓懸掛設(shè)計載荷50 t為例，分析液壓懸掛結(jié)構(gòu)件受力情況。根據(jù)力平衡原理可得：

F_cL₁=NL₂（1）

F_c（L₂-L₁）=F₁L₂（2）

式（1）、式（2）中，取N=500 kN，L₁=0.5 m，L₂=0.985 m。將數(shù)據(jù)代入上述公式中可得：

F_c=985 kN? ? ? F₁=485 kN

故：

N₁=N₂=N/2=250 kN

4 液壓懸掛機構(gòu)強度校核

4.1 強度校核模型建立

根據(jù)懸掛結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，利用有限元分析軟件對其進行結(jié)構(gòu)強度的校核，檢驗結(jié)構(gòu)的安全性。利用有限元分析軟件ANSYS進行強度校核，驗證結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求，為機構(gòu)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。在對結(jié)構(gòu)進行有限元分析前，需將懸掛實體模型進行必要的簡化，去掉螺母、墊片、修飾特征、倒角特征以及對強度影響不大或受力很小的零部件。

a.模型導(dǎo)入及接觸形式：首先將處理過的幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，將有相對運動趨勢的零部件之間的接觸形式定義為不分離（No Separation），焊接件之間的接觸形式默認為綁定（Bonded）。

b.定義材料屬性：結(jié)構(gòu)件均采用Q460C焊接而成，材料的物理性能為：彈性模量E=2.1×10⁵MPa，泊松比μ=0.3；材料的機械性能為：屈服強度是460 MPa，抗拉強度是550～720 MPa。

c.網(wǎng)格劃分：模型網(wǎng)格劃分的大小及數(shù)量的多少影響分析結(jié)果的精度及計算時間。由于小臂結(jié)構(gòu)本身不是很大，故在Mesh選項中將Relevance值設(shè)置為20以細化網(wǎng)格，并將關(guān)鍵受力件進一步細化。

d.載荷及約束：取重力加速度的方向為Y軸的負方向，分別對各個仿真對象施加工作載荷及約束固定形式。

e.求解及結(jié)果分析? 選取最大應(yīng)力Equivalent Stress（von-Mises）和最大變形量Total Deformation兩個指標進行強度校核分析。

4.2 強度校核仿真分析

通過有限元分析軟件，結(jié)合懸掛機構(gòu)件受力狀態(tài)，建立懸掛機構(gòu)件載荷及約束形式，如圖3所示。其中：

a.車橋施加軸向固定約束，并在車橋的兩側(cè)分別施加遠程載荷力N₁=N₂=250 kN。

b.平衡臂在與車橋連接的伸出軸端施加固定約束，在與支架的連接軸處施加作用力F₁=485 kN，在與懸掛油缸的連接軸處施加油缸作用力Fc=985 kN。

c.懸掛支架在與回轉(zhuǎn)支承連接處施加固定約束，在兩連接與平衡臂連接軸處施加反作用力F₁=485 kN，在與懸掛油缸的連接軸處施加作用力Fc=985 kN。

通過以上的模型約束及載荷處理后，在有限元分析軟件中對各個仿真模型分別進行最大應(yīng)力和最大變形量的求解計算。通過運行有限元分析軟件，懸掛機構(gòu)件強度校核求解結(jié)果如圖4所示。

通過有限分析計算，去除應(yīng)力集中點，車橋在最大載荷下的最大應(yīng)力為205 MPa；最大變形量小于1 mm。平衡臂在最大載荷下的最大應(yīng)力為220 MPa；最大變形量為2.4 mm。懸掛支架在最大載荷下的最大應(yīng)力為263 MPa；最大變形量為1.3 mm。可見最大變形量相對于懸掛結(jié)構(gòu)件尺寸來說是微小的，其最大應(yīng)力值也小于材料的屈服強度，且安全系數(shù)達到1.5以上，機構(gòu)滿足設(shè)計強度要求。為了保證懸架結(jié)構(gòu)的安全可靠性，在滿足機構(gòu)強度及安全性條件下可對懸掛機構(gòu)結(jié)構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計，同時對應(yīng)力集中點作加大圓角或增加過渡工藝處理，減小或消除應(yīng)力集中。整體上看，該實例分析的液壓懸掛機構(gòu)強度有富余，機構(gòu)上有輕量化設(shè)計的空間。

5 結(jié)語

本文闡述了自行式載重液壓懸掛機構(gòu)的組成，分析了液壓懸掛機構(gòu)的受力狀態(tài)，并以液壓懸掛機構(gòu)為例進行結(jié)構(gòu)件受力分析，推導(dǎo)液壓懸掛機構(gòu)件受力關(guān)系。建立了液壓懸掛機構(gòu)的結(jié)構(gòu)件的三維仿真模型，通過有限元分析軟件對懸掛機構(gòu)各個主要承載受力件進行強度校核，檢驗懸掛機構(gòu)設(shè)計是否滿足要求，為懸掛機構(gòu)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供參考。本文的研究結(jié)論對同類產(chǎn)品的設(shè)計及應(yīng)用具有借鑒意義。

參考文獻：

[1]苗增，孟凡皓，胡旭杰，等登高平臺電液比例調(diào)平系統(tǒng)仿真分析[J]機械工程與自動化，2022（10）：83-87

[2]梁浩新，趙靜一，郭瑞關(guān)于100 t重型平板運輸車懸掛液壓系統(tǒng)的改進[J]液壓與氣動，2008（10）：43-45

[3]陳偉，郭為忠，高峰動力模塊車組液壓懸掛系統(tǒng)的分組建模[J]機械工程學(xué)報，2012，48（5）：108-115

[4]馬日平320 T平板車液壓系統(tǒng)設(shè)計及安全載重研究[D]秦皇島：燕山大學(xué)，2013

[5]于寧200噸動力平板車承載分析[J]液壓氣動與密封，2018（2）：46-48

作者簡介：

周愛斌，男，1977年生，工程師，研究方向為重型特種車輛的設(shè)計。