自卸车举升机构的失效原因分析及结构优化*

和好学，李尚平，李 冰，李 健

(1.广西工学院 机械工程系，广西 柳州 545006;2.钦州学院，广西 钦州 535000)

1 前言

自卸汽车是指以运送货物为主，并且车厢具有自动卸料功能(配有自动倾卸装置)的载重汽车，它是利用本车发动机动力驱动液压举升机构，将其车厢倾斜一定角度卸货，并依靠车厢自重使其复位［1］，常用于沙地，山林，建筑工地等恶劣的作业场所。举升机构作为自卸汽车上的重要组成部件，装卸货物时受到作用力的大小时刻变化，如果设计不合理，卸载货物时会使液压油缸压力过大或铰链受力过大，造成零件局部强度失效，如举升机构底座裂缝或断裂等。某企业的自卸车在客户使用过程中发现举升机构底座有断裂现象(如图1)，该车的举升机构为连杆组合式。它的工作原理是利用一套三角连杆系使举升液压缸以较小的行程将车厢倾斜一定的角度而卸货，具有省力，油压特性好，油压系统压力p随举升力变化平稳等优点［2］，该车质量为3940 kg，额定载荷重量为10 t，但客户实际使用中经常超载至10 t以上。

2 建立虚拟样机模型

首先建立举升机构的数学模型如图2所示。设车厢与副车架的铰链点O为坐标系原点，X轴的正向朝左，Y轴的正方向朝上，ABC为三角臂的3个铰链点，围绕A点做运动;BD为绕D点运动的拉杆;CE为绕E点运动的油缸机构;对油缸工作过程进行受力分析，由于只关心举升机构的关键构件位置关系如三角板，车厢、油缸和拉杆，可以在ADAMS中简化建模。如图3所示:长方体为装载货物的车箱，模型绿色部分为拉杆，模型黄色部分为油缸，模型红色部分为三角板，定义零件之间连接为旋转，油缸活塞之间为滑动连接。

图1 举升机构底座断裂图片

图2 举升机构简图

3 ADAMS仿真及Workbench有限元分析

3.1 ADAMS 仿真计算

自卸车卸货时举升机构的工作是个动态的过程，举升机构底座受力的大小和方向是随时间变化的过程［3］，所以首先确认何时油缸底座受到的作用力最大。在ADAMS软件中仿真自卸车卸载10t货物工作过程，我们能够很直观的看到诸如举升角、车厢角速度、车厢角加速度、各构件间的相互作用力等随举升时间变化的曲线图，还有需要重点研究的举升机构油缸的驱动力即举升力的大小和变化过程。为评价和论证该机构的举升性能提供了必不可少的数据，由仿真数据可知，油缸作用力最大值出现在举升机构初始工作时刻，这时油缸底座所受载荷最大的，记录此时数值，在Workbench软件中对油缸底座受力进行加载，计算受到的应力值。

3.2 建立有限元模型及网格划分

为了获得更好的计算结果，本文采用UG建立三维模型，建模时可以对副车架进行适当的简化，忽略副车架上一些非关键位置的孔，钩耳和加强板等，简化后不会影响油缸底座的刚度，强度，也更利于网格划分质量，通过Workbench软件与UG软件接口，把UG模型导入Workbench软件中，采用自动划分网格功能，建立有限元模型。

3.3 Workbench 加载分析

由ADAMS仿真可知，当载荷10 t时，底座受到的最大力为2.03E5(N)，在软件Workbench中施加载荷计算得应力图(如图4)，在大梁与支撑板焊缝周围应力高达233.63 MPa，已达到许用应力临界值，长期处于疲劳阶段会影响使用寿命，出现断裂现象。

图3 举升机构ADAMS模型

图4 卸载10T载荷时等效应力云图

4 举升机构结构的局部优化

底座应力局部过大产生原因有多种，如各铰链点位置设计不合理，举升机构设计不合理，严重超载等，首先尝试运用ADAMS软件对各铰链点位置进行优化，验证是否能使油缸的举升力减小及举升力最大值远离举升的初始位置。ADAMS优化设计时有两种方式:一种方式将所有的设计变量同时考虑进行优化，此方式适合设计变量数较少时使用，另一种方式分别对各个设计变量进行单独优化，得到各变量的位置敏感度，选取敏感度最高，即对目标函数影响最大的位置变量进行调整，该方式适合设计变量较多时使用［4］。文中首先对5个设计变量(铰链点位置)进行逐一优化，得到各点的位置敏感度如表1所列，在C点上的敏感度最大，将其作为设计变量进行优化计算，根据得到的结果再对其它变量作第二次优化，即得到所需的优化设计结果.按照优化后得到的举升油缸和拉杆铰链点坐标值，重新建立ADAMS模型，加载相同载荷进行仿真得到举升力最大值由原来的2.03E5(N)下降到了 1.64E5(N)，说明这次修改参数是有效果的，在ANSYS中建立优化后的有限元模型进行受力分析，得到优化后的应力等效云图(见图5)，最大应力为184.15 MPa，小于材料的许用应力符合要求，说明此次优化是有效果的。

表1 设计研究结果报告汇表

图5 化后卸载10T载荷时等效应力力云图

5 实验验证

电阻应变测量技术:是把应变片粘贴在试验工件上，利用电阻应变仪测取构件表面应变，根据应变与应力的关系，求出应力值，通过实验收集举升机构在卸载不同载荷下的受力数据，验证软件仿真和有限元分析数据是否可信，所以在测试过程中一定要取以下三点的位置进行测试:液压油缸底座、拉杆与横梁铰链处、油缸和三角板的连接处，因此可以大致得到布点的地方为:车厢和车架的连接点、车厢中部与三角板连接点、油缸支架与三角板处、三角板和拉杆连接处、拉杆中部和油缸与车架连接处(见图6)。

首先通过仪器记录卸载10t货物时举升机构受到作用力的数值，然后处理实验数据可得各测试点随时间变化的应力值曲线(见图7)，最大应力值为187.3 MPa。由于材料的使用的是Q235号钢材，而实验所得的应力值远远小于材料的许用应力值，所以结构优化设计是合理的。对比实验所得值和软件计算理论值可知存在一定的误差，误差值为1.7%，这是由于在实际使用中受到多种因素的影响。

图6 测试点的布局

图7 卸载10T货物时各测试点的应力曲线

6 结语

举升机构作为自卸汽车上的一个重要组成部分，其性能好坏直接影响着整车的工作能力和安全，文中主要是基于目前较为先进的虚拟样机技术对自卸车液压举升机构进行运动学分析，并对模型进行有限元分析得到应力云图，找出设计缺陷位置(薄弱环节、应力集中等)进行ADAMS仿真及优化，对优化后的产品进行电测实验，对比实验数据和有限元分析数据，说明设计合理满足要求。

［1］徐 达，蒋崇贤.专用汽车结构与设计［M］.北京:北京理工大学出版社，1998.

［2］白海英.自卸汽车举升机构运动分析［J］.汽车研究与开发，1995(3):40－42.

［3］黄 伟，陆海漫，欧长松，等.自卸车副车架的分析及优化［J］.装备制造技术，2011.(7):3 －5.

［4］尹辉俊.虚拟环境下自卸车举升机构的运动仿真与优化［J］.机械设计，2006，23(5):30 －32.