自卸车关键部件改进和有限元分析

　早期开发的自卸车的结构并不理想，导致整备质量过大。面对新的车辆法规和政策，对该车型进行改进，不但减重还要保证原车的举升能力，主要进行了三角臂、拉杆、副车架、车箱、底盘车架的改进设计。本文仅对举升支架、三角臂的改进设计采用有限元法进行阐述。  
　　1 建立力学模型 
　　自卸车的危险工况发生在刚开始卸货的瞬间，因而车箱底板就是关键受力构件之一。此时车箱底架的受力状况取决于举升机构，由于采用了“F”式举升机构，所以底架举升装置的受力则是关键之一。其车箱底架的受力模型如图1。 

图1 
　　图1中：q为均布载荷；O1为后翻转铰点；O2为拉杆铰点；O3为油缸铰点。 
　　设定油缸推力F＝62．8t，根据对举升机构的位置关系，运用平面汇交力系，分别对举升机构的关键部件取矩后，得到拉杆的拉力为T＝86．59t；由于此时F＝1．32G，则G＝475757N。理论举升质量为47．58t，若考虑机械效率，取机械效率0．85，则推力为40t。其强度分析都是在安全系数取为2的条件下进行验算的。 
　　考虑到现有软硬件的配置和实际应用，将该模型作进一步简化，只考虑底架举升装置的受力分析。由于油缸推力的大小取决于负载，所以模型的受力只考虑油缸推力F和拉杆拉力丁。边界条件为约束主横梁与车箱底架纵梁的连接处。货物对其的作用力由F和T来体现。 
　　2 零件有限元模型强度分析 
　　2．1 改进前 
　　在PRO/E中应用零件标准模块依据机构的尺寸参数来创建特征。在PRO/E软件中采用实体建模，用推生、减材料等基于特征造型的方法实现该装置的三维造型。举升支架、三角臂经PRO/E软件测量模块测量，质量分别为173kg、88kg。 
　　用PRO/E中的仿真分析功能MECHANICA模块进行分析：对油缸支座、拉杆支座加载F和T，边界条件是约束住与车箱底架纵梁连接部位。经MECHANICA计算的应力最大值为242.7 MPa，如图2(a)。对三角臂的拉杆孔和铰接孔加约束，油缸受力孔施加载荷。加载约束后，选择材料为STEEL。运行后经MECHANICA计算的应力最大值为71.5 MPa，如图2(c)。 
　　2．2 改进后 
　　由于该零件结构不能采用目标函数等数学方法进行自动优化计算。故以应力最小为目标作为判断，通过改动零件的截面修正零件局部来降低应力。通常经过多次的计算，基本可以达到理想的结果。 
　　此时，车箱底架举升装置的质量由PRO/E软件测量后为105 kg，其强度应力云图如图2(b)所示。此时，经MECHANICA计算的应力最大值为328 MPa。应力集中在该装置与车箱底架纵梁的连接处。而三角臂经测量为78kg，PRO/E软件分析后，经MECHANICA计算的应力最大值为62.5MPa，其强度应力云图如图2(d)所示。 
　　不难看出，改进后，举升支架的应力值有所上升，但通过换用材料，也使应力值控制在材料的最大许用范围内，并且重量减轻了68kg。而三角臂的应力值反而有所降低，重量也降低了10kg。由于软件的求解器问题，在PRO/E中应力值普遍偏大，但也能反映应力分布情况和变化趋势。只是在尖点、非圆角过渡区形成了应力集中。 
　　3 实际装载验证 
　　装载倾卸验证：EQ3302VX40D的车箱容积为20m3，假定砂石料的比重取其平均值为1．6t/m3，则该车可装载32t左右，加车箱自重后约为34 t左右，低于我们理论验算的值40t，所以在做装载倾卸试验时，基本按此装载34t货物来进行装载验证举升支架的强度。经过反复试验，举升支架未出现任何变形和破坏现象。 

(a) 

(b) 

(c)
 
(d)