基于ANSYS的電動叉車制動端蓋靜力學分析與優化

【Abstract】Toaddresstheissuesofdeformationandcrackingintheinnerringof thepistonseatboreon electric forklift brakeendcoverscaused byexcessivebrakingloadsduring parking，thisstudyemploysANSYS finiteelementanalysis （FEA） softwaretoconduct static structuralanalysisunderboth fullyloadedandunloaded conditions.Thestaticanalysis resultsre veal thatunderunloadedconditions，themaximum stressandstrainonthe innerringofthepistonseatboreremain withinthe allwablelimits，metingoperationalrequirements，andunderfullloadedconditions，themaximumstressandstrainexceed permissiblevalues，leading toyielddeformationand，inseverecases，crackingof theinnerring.Consideringtheconomic andlightweightrequirementsofelectricforklifts，anoptimizationstrategyinvolvingmoderatethickeningoftheinneringis proposed.Post-optimization staticanalysis demonstrates thatasignificantreductioninboth maximum stressand strainon the pistonseatboreinnerringandallmechanicalperformance indicators nowfallbelowallowablelimits，ensuringreliable brakingperformance.Thestudyconcludesthatstaticanalysisandoptimizationof thebrakeendcoverduring instantaneous parking braking effectivelymitigates deformationandcracking inthepistonseatbore.Thisapproachprevents braking failures and reduces unintended vehicle movement accidents，enhancing operational safety.

【Key words] ANSYS;static analysis; parking brake; brake end cover;optimization [中圖分類號]TH113.2 [文獻標識碼］A [文章編號]1674-3229（2025）02－0068-05

0 引言

節能、輕便的三支點電動叉車被用作物流行業的主要運載工具，輪邊減速器是電動叉車動力裝置，實現電動叉車的傳動與制動[]。減速器中的制動機構在實施停車制動時，制動端蓋承受較大的制動載荷，在制動載荷長期作用下，端蓋會出現變形，嚴重情況會導致端蓋上的活塞孔座內圈出現龜裂，從而影響電動叉車停車制動效果。因此，對停車制動工況下的輪邊減速器制動端蓋進行力學分析非常必要。

采用 Pro/E 三維造型軟件及ANSYS有限元分析軟件，對端蓋停車制動工況進行靜力學分析，通過應力、應變云圖及數據，及時掌握端蓋的受力狀態，判斷其是否能滿足制動使用要求，對于不滿足停車制動工況使用要求的情形，采用優化策略，確保端蓋能正常工作，保障輪邊減速器的制動效果。

1 制動端蓋有限元模型創建

1.1制動端蓋結構與受力

三支點式電動叉車采用濕式多片制動系統，通過活塞桿的機械方式和液壓盤的液壓方式來完成靜態和動態制動，即停車制動與行車制動[2]。制動端蓋是制動過程中的關鍵部件，端蓋如圖1所示。行車制動，采用液壓制動方式，液壓系統將制動液從管接頭流入到制動壓盤，制動液施加給壓盤的壓力使得內部和外部摩擦片緊密貼合，進而形成行車制動需要的扭矩，液壓制動方式對端蓋未產生作用力。停車制動采用機械制動方式，如圖1所示，制動壓桿1通過帶孔銷2和開口銷3連接在端蓋頂部，當拉動制動壓桿1時，通過杠桿原理，垂直向下的制動力傳遞至活塞桿8，活塞桿8將制動力作用于制動壓盤的凸緣面上，使得內外環摩擦片緊密貼合，阻止中間軸轉動，實現停車制動。而停車制動的制動力使活塞孔座承受徑向壓力，壓力過大會導致孔座變形甚至龜裂，導致活塞桿不能正常工作，影響制動效果[3]。

（1.制動壓桿2.帶孔銷3.開口銷4.排氣嘴5.管接頭6.圓柱頭內六角螺栓7.堵頭8.活塞桿）

1.2制動端蓋三維模型創建

二維CAD平面圖可以輔助分析制動工作原理，由于參數限制，不能導入大型分析軟件進行靜力學分析，所以在二維圖的基礎上，必須創建端蓋的三維模型。

為了順利進行制動端蓋靜力學分析，運用 Pro/E 三維造型軟件創建制動端蓋及其連接件的三維模型。端蓋建模過程如下：端蓋參數錄入；建立參數之間的數學模型關系；繪制主體單元草圖；細化周邊孔洞及臺階；創建圓角及細節特征。創建完成的三維模型如圖2。

1.3有限元模型的建立

首先，將三維模型導入ANSYS軟件中，初始模型外形結構較復雜，計算量大、時間長，因此對模型中不影響受力及計算結果的結構進行簡化，提升計算效率。制動端蓋的簡化模型如圖3所示。其次，確定單元類型：節點是20的高階實體單元Solid186。第三步，確定端蓋材料屬性，具體數據見表1。

上述三步準備工作之后，即可開始進行端蓋有限元網格的劃分。ANSYS軟件網格劃分方法有六面體主導法、自由網格劃分法、映射網格劃分法和掃掠網格劃分法。其中六面體主導法適用于不可掃掠的體或者內部容積較大的體，根據端蓋形狀特征，選用六面體主導法進行網格劃分。網格劃分時，第一步生成面網格，面網格主要為四邊形，第二步生成六面體，第三步依據靜力學分析需求完善劃分的網格[4]。網格劃分過程中需要關注的問題是計算精度與計算效率，網格劃分越細，計算結果精度越高，計算速度會降低，影響計算效率，耽誤設計進度。網格劃分過于粗糙，雖然解決了計算問題，但無法兼顧計算精度[5]。所以結合工作實際，模型精度要求，綜合多次比較，采用六面體主導法完成制動端蓋的網格劃分。網格劃分后的制動端蓋模型如圖4所示。網格大小 3mm ，生成節點107832個，單元34392個。

2 靜力學計算

2.1 約束確定

約束確定是靜力學計算之前的重要準備步驟，電動叉車停車制動工況下，制動端蓋通過18個螺栓與蓋板固結，約束施加以安裝位置為依據，為了在ANSYS運行過程中加載時，確保端蓋不發生位移或運動，對制動端蓋所有螺栓孔施加全約束[]。

2.2 載荷施加

電動叉車行車制動采用液壓制動方式，停車制動采用機械制動方式，液壓制動對制動端蓋不會造成不利影響，機械制動方式會使制動端蓋活塞孔座內圈受活塞桿的徑向擠壓，所以，靜力學分析只需要考慮停車制動工況的制動力即可[7]。停車制動工況分為空載制動及滿載制動兩種工況。電動叉車的額定載荷為2噸，叉車自重3.5噸。滿載工況計算時，需要考慮實際工作中的超載現象，所以通常加載數值超過2噸，這樣計算出來的結果才更具實用性[8]。集中載荷徑向加載到制動端蓋活塞孔座內圈，加載載荷大小為空載4552N，滿載 12808N 。約束、加載如圖5。

2.3計算求解

采用ANSYS的SPARSE求解器完成求解，計算參數如下：求解時長ST為2；最大子步數為100，最小子步數為20；求解預測器在所有子步求解過程中均為\"on\"狀態，采用直接消項的算法功能求解極限數值[]。

通過靜力學計算，停車制動工況下制動端蓋的受力結果如下：圖6為滿載工況下端蓋等效應力分布云圖，最大應力值為 183.99MPa ，最大應力區域為制動端蓋與活塞桿接觸的活塞孔座的整個內圈。制動端蓋應變如圖7所示，最大應變值 0.0014mm ，最大變形區域為活塞孔座接觸面整個內圈。空載工況，制動端蓋等效應力分布云圖如圖8所示，最大應力值為 65.39MPa ，同樣發生在端蓋與活塞桿接觸的活塞孔座的整個內圈。制動端蓋應變如圖9所示，最大應變為 0.0005mm ，最大變形也出現在活塞孔座的整個內圈。

3靜力學結果分析及優化改進

3.1靜力學結果分析

從應力云圖及應變圖可以看到，施加全約束的滿載停車制動工況下，最大應力、應變均出現在活塞孔座的整個內圈，最大應力值為 183.99MPa ，最大應變值為 0.0014mm ，結合受力狀況，活塞孔座的內圈極易受破壞失效。空載停車制動工況下，最大應力及應變數值相對較小，分別是 65.39MPa 、0.0005mm 。

根據表1端蓋材料性能要求，空載停車制動工況，最大應力及應變值都小于許用值，對端蓋未造成任何不良影響，此制動工況下，電動叉車能穩定制動。滿載停車制動工況，最大應力值 183.99MPa ，既超過屈服強度值 165MPa ，也超出極限應力值173MPa ，超出范圍較大；最大變形量 0.0014mm 也超出許用應變值 0.0012mm ，在此工況下進行制動，端蓋活塞孔座內圈容易出現屈服變形，嚴重情況為內圈龜裂，直接影響制動效果，停車制動失效，導致出現溜車事故，造成不可估量的損失。

3.2端蓋優化改進

經過分析，滿載停車制動工況為不利工況，從應力及應變云圖可知，最大應力及應變區域較廣，分布于整個活塞孔座內圈，即內圈區域為危險部位。根據不利工況，需要對端蓋進行優化改進，并對優化后的端蓋再次進行計算分析，以達到制動使用要求。

結合端蓋結構、使用條件，端蓋通常有以下優化方案： ① 改善熱處理方式， ② 更換材料， ③ 增加活塞孔座內圈的厚度。第一、二種方案：改善熱處理方式及更換材料，現用端蓋材料為HT200，熱處理方式為自然風冷，端蓋硬度較低，力學性能許用數值均較低。將材料可以更換為HT300，熱處理方式采用調質處理，即可解決力學性能不足問題。但由于端蓋體積大，用料量大，調質處理工藝較復雜，若采用換材料及調質處理的優化方案不能兼顧經濟性，不利于推廣量產，不是最優方案。

第三種方案：在不改變端蓋活塞孔座內圈尺寸的基礎上，加厚孔座內圈。電動叉車輕便靈活是其優點之一，所以內圈加厚數值不宜過大，增加幅度控制在 30% 左右，即由 4mm 增加到 7mm ，在保障力學性能的同時兼顧輕量化。綜合考慮經濟性、輕量化及實際生產等因素，方案三為最適合的優化方案。對修改后的端蓋模型重新進行靜力學分析[10]。

圖10、圖11為滿載停車制動工況下的應力及應變總圖，從計算結果看出，厚度增大到 7mm 后，最大應力降低為 151.1MPa ，數值均小于極限應力及屈服應力，內圈區域既不會出現龜裂破壞也不會發生屈服變形。最大變形量降為 0.0011mm ，數值范圍在許用應變范圍之內。原模型下的空載停車制動工況是安全的，優化后的數值遠低于許用數值，如圖12、圖13。經過優化，端蓋滿足了使用要求，但最大應變數值 0.0011mm 僅略小于許用應變0.0012mm ，考慮實際成本及端蓋重量，內圈厚度不能增加過多，后期可以從局部更換材料或改善局部熱處理工藝方面著手，進一步優化端蓋的力學性能。

4結論

電動叉車的制動機構在停車制動工況下，制動機構重要部件端蓋的活塞孔座內圈受到徑向制動載荷，極易出現破壞失效，直接影響停車制動效果。針對此情況，通過大型軟件ANSYS對其進行靜力學分析，通過有限元分析發現，滿載停車制動工況下，端蓋活塞孔座內圈所受應力及應變均超出許用范圍，在此工作狀態下會發生破壞。于是對端蓋進行優化，通過分析篩選，采用增加內圈厚度的優化方案。優化后的模型活塞孔座內圈增加到 7mm 通過進一步靜力學分析，優化后的端蓋滿載停車工況下的最大應力及最大應變均下降且滿足使用要求。通過有限元分析與優化，確保了電動叉車停車制動的穩定性，避免了由于停車制動失效而引起的碰撞事故。

[參考文獻]

[1]張鑫枝，胡俊雄，周陽，等.基于ANSYS/LS-DYNA的停放制動滑撬螺栓跌落強度分析[J].振動與沖擊，2023，42（07）：217-224.

[2]葛立銀.新型省力停車制動機構在叉車設計中的應用[J].現代制造技術與裝備，2023，59（06）：125-127.

[3]郭慶隆.一種停車器制動能力測試儀的研制與實施[J].減速頂與調速技術，2023（02）：1-4.

[4]吳善根，李濤，林宣財，等.基于制動減速度的高速公路停車視距研究[J].公路交通科技，2021，38（09）：51-59.

[5]劉棟.后驅三支點叉車濕式制動系統設計[J].機電信息，2021（22）：59-61.

[6]張宇，王夢翔，李進.電動車駐車制動工況車內噪聲性能研究[J].噪聲與振動控制，2020，40（06）：165-169.

[7]胡靜，于正林.基于HyperMesh的汽車駐車制動手柄性能分析[J].長春理工大學學報（自然科學版），2020，43（06）：42-48.

[8]張紅兵，郭春秋.基于ANSYS的濕式制動器摩擦分析[J]煤礦機械，2021，42（05）：85-87.

[9]羅吉安，周星越.有限單元法分析中應力奇異問題的研究[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2021，21（04）：42-45.

[10]王德俊，許曾生，張界威，等.基于ANSYS的水動力旋轉噴霧降塵裝置結構設計與仿真分析[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2023，23（03）：19-23.