電動(dòng)升降器的有限元分析

崔興龍， 徐革， 毛勇， 李連海， 鞠傳勝

（1.遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧阜新123000；2.全球物流（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215324；3.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，沈陽110869）

電動(dòng)升降器的有限元分析

崔興龍1， 徐革1， 毛勇2， 李連海3， 鞠傳勝3

（1.遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧阜新123000；2.全球物流（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215324；3.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，沈陽110869）

采用有限元分析方法，對汽車的電動(dòng)升降器進(jìn)行了受力和形變分析。分別對玻璃升降器從下止檔開始上升狀態(tài)和上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行了研究，對其原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。應(yīng)用Nastran軟件建立了有限元模型，對其整體裝配進(jìn)行了有限元分析，對其主、從動(dòng)臂進(jìn)行了形變和應(yīng)力分析。結(jié)果表明，主動(dòng)臂在靠近長滑槽側(cè)的折彎處形變量最大，在渦卷彈簧固定銷處附近形變量最小；渦卷彈簧固定鉚釘處附近有最大應(yīng)力，在與從動(dòng)臂連接處附近有最小應(yīng)力?？拷L滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在其折彎處形變量最大，靠近短滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在與滑塊連接處附近形變量最小；靠近長滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在其折彎處有最大應(yīng)力，靠近短滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在與滑塊連接處附近有最小應(yīng)力。

有限元；升降器；形變量；應(yīng)力

0 引言

1980年代末電動(dòng)升降器首次登陸中國市場，隨后的十幾年里，經(jīng)過不斷地研究，國內(nèi)公司自主開發(fā)了電動(dòng)升降器。我國于2000年7月發(fā)布了自己的首個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但與先進(jìn)國家的規(guī)范相比要求較低。目前國內(nèi)的電動(dòng)升降器供應(yīng)商的最大問題在于其技術(shù)能力不強(qiáng)，生產(chǎn)規(guī)模太小，故無法形成自己的系列產(chǎn)品，參與國際競爭［1］。

汽車玻璃升降器是汽車配件市場中常見的標(biāo)準(zhǔn)配件，是汽車的重要組成部分。汽車玻璃升降器按傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為臂式、柔式、絲杠式升降器；按操縱方式分為手動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)升降器。臂式升降器又可分為單臂式和雙臂式，雙臂式又包括交叉臂式和平行臂式升降器［2-4］。本文主要研究的是電動(dòng)交叉臂式升降器。其特點(diǎn)是整體剛度好，對玻璃支撐區(qū)域?qū)挘杀Ｕ喜Ａ叫猩?，提升力較大，故運(yùn)行比較平穩(wěn)，被普遍采用［5-6］。臂式玻璃升降器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒扇嚙合傳動(dòng)，除齒輪外其主要結(jié)構(gòu)均為板式結(jié)構(gòu)，加工方便成本低。但由于其采用懸臂式支撐結(jié)構(gòu)，故工作壓力大。其涉及的零部件較多，均為串聯(lián)，受車門安裝定位要求限制較多，加之工作環(huán)境惡劣及用戶使用不當(dāng)，故而成為整部汽車中出現(xiàn)故障最多的部件之一［7～11］。

目前，已經(jīng)有很多學(xué)者應(yīng)用有限元對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，高崇金［12］利用有限元分析了高空作業(yè)車臂架，并進(jìn)行了平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)；王鎮(zhèn)乾［13］利用有限元分析了梭車轉(zhuǎn)向四連桿機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；梁永江［14］進(jìn)行了四連桿飛剪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；沈曉麗［15］等進(jìn)行了液壓機(jī)械臂連桿有限元分析。有限元分析方法局限性小，計(jì)算精度高，較傳統(tǒng)的計(jì)算方法有很大優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域中。

本文采用有限元分析方法，對電動(dòng)升降器從下止檔開始上升狀態(tài)和上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行研究，并對主、從動(dòng)臂的形變量和應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 力學(xué)分析

由于升降器在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中受外力均勻平穩(wěn)，故對升降器從下止檔位置開始上升狀態(tài)和上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行受力分析，獲得其受力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。升降器各部件形狀較復(fù)雜，現(xiàn)將其簡化為連桿機(jī)構(gòu)，添加固定載荷及零位移面約束條件。由于升降器的主、從動(dòng)臂在工作過程中受力復(fù)雜且零件結(jié)構(gòu)不均勻，故其性能要求相對高于其他零件，因此本文僅對升降器的主、從動(dòng)臂進(jìn)行了受力和形變分析。對主、從動(dòng)臂進(jìn)行受力分析，建立力及力矩平衡方程。由圖1可知，與主動(dòng)臂和從動(dòng)臂受力分析相關(guān)的零件包括：電機(jī)齒輪、齒扇、固定鉚釘、渦卷彈簧、固定銷、長滑槽、短滑槽、固定板（短滑槽連接板和滑塊忽略不計(jì)）。渦卷彈簧對主動(dòng)臂的作用力相對較小，可設(shè)為零。

圖1 升降器

圖2 從下止檔位置開始上升狀態(tài)受力分析

1.1 從下止檔位置開始

上升狀態(tài)受力分析

啟動(dòng)電機(jī)（LK30電機(jī)），車窗玻璃從下止檔位置開始上升，升降器受力分析如圖2所示。在圖2（a）中齒扇受圓周力Fi和徑向力Fr的作用，徑向力 Fr是由電機(jī)產(chǎn)生的，圓周力Fi是由電機(jī)齒輪帶動(dòng)齒扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的接觸產(chǎn)生的，受力點(diǎn)在齒輪與齒扇接觸點(diǎn)處，長滑槽受均布力Fz的作用，該力主要是由玻璃的重力產(chǎn)生的。由于車床的限制要求長滑槽僅有Z軸的平動(dòng)，需要對長滑槽的其他5個(gè)自由度進(jìn)行約束，而固定銷和短滑槽等屬于固定約束。

圖2（b）對主動(dòng)臂進(jìn)行受力分析，以E為支點(diǎn)，得力平衡方程：

圖2（c）把兩個(gè)從動(dòng)臂看作一個(gè)整體，以D為支點(diǎn)，對其進(jìn)行受力分析得力平衡方程：

1.2 上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)受力分析

車窗玻璃上升到上止檔位置時(shí)，受車門阻力堵轉(zhuǎn)，升降器的受力分析如圖3所示。在圖3（a）中齒扇受圓周力Fi和徑向力Fr的作用，徑向力Fr是由電機(jī)產(chǎn)生的，圓周力Fi是由電機(jī)齒輪帶動(dòng)齒扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的接觸產(chǎn)生的，受力點(diǎn)在齒輪與齒扇接觸處，長滑槽受均布力Fz的作用，該力主要是由玻璃的重力產(chǎn)生的。此時(shí)圓周力Fi和徑向力Fr大小基本沒變，而均布力Fz變大了，由于車床的限制要求長滑槽僅有Z軸的平動(dòng)，需要對長滑槽的其他5個(gè)自由度進(jìn)行約束，而固定銷和短滑槽等屬于固定約束。具體分析方法同上所述，在此不再贅述。

圖3 上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)受力分析

2 建立有限元分析模型

利用三維設(shè)計(jì)軟件UGNX按原尺寸建立幾何模型，并進(jìn)行整體裝配建模。其中主動(dòng)臂和從動(dòng)臂模型如圖4、圖5所示。

圖4 主動(dòng)臂

圖5 從動(dòng)臂

1）材料的選擇。根據(jù)實(shí)際情況，升降器材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，牌號為08鋼。根據(jù)國標(biāo)GB/T 699-1999在相關(guān)機(jī)械手冊獲得材料機(jī)械性能如表1所示。

2）邊界條件的確定。（1）約束條件：約束固定板的全部自由度，將其固定；約束主動(dòng)臂的5個(gè)自由度，使其僅能圍繞固定銷轉(zhuǎn)動(dòng)；其他零件的自由度由升降器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)來約束。（2）載荷條件：在齒扇處和長滑槽處添加給定的載荷Fi=64.9N，F(xiàn)r=30.0N，從下止檔位置開始上升狀態(tài)長滑槽Z軸受力：Fz=100N；玻璃上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)長滑槽Z軸受力：Fz=140N。

表1 08鋼的機(jī)械性能

3）網(wǎng)格的劃分。單元類型為CTETRA（10），即十節(jié)點(diǎn)（包括頂點(diǎn)和各棱中點(diǎn)）四面體。四節(jié)點(diǎn)（僅包括頂點(diǎn)）四面體要素的解析結(jié)果受要素尺寸影響較大，而十節(jié)點(diǎn)四面體要素的解析結(jié)果受要素尺寸的影響相對較小，故選用十節(jié)點(diǎn)四面體。網(wǎng)格單元大小為2 mm，網(wǎng)格質(zhì)量的中節(jié)點(diǎn)方法采用混合法，最大雅克比值為10。

3 結(jié)果分析

3.1 從下止檔位置開始上升狀態(tài)

利用有限元分析軟件Nastran對電動(dòng)升降器玻璃從下止檔位置開始上升狀態(tài)裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并從中提取出主、從動(dòng)臂的分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 主動(dòng)臂有限元分析

圖7 從動(dòng)臂有限元分析

圖8 主動(dòng)臂有限元分析

圖6（a）為主動(dòng)臂形變分析結(jié)果。從圖中可以看出，主動(dòng)臂在靠近長滑槽側(cè)的折彎處（即標(biāo)記“Maximum”）具有最大形變量為0.038 53 mm，在渦卷彈簧固定銷處附近（即標(biāo)記“Minimum”）具有最小形變量為0.000 055 40 mm。圖6（b）為主動(dòng)臂應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，主動(dòng)臂在渦卷彈簧固定鉚釘處附近（即標(biāo)記“Maximum”）具有最大應(yīng)力為14.2 MPa，在與從動(dòng)臂連接處附近（即標(biāo)記“Minimum”）具有最小應(yīng)力為0.020 14 MPa。

圖7（a）為從動(dòng)臂形變分析結(jié)果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在其折彎處（即標(biāo)記“Maximum”）有最大形變量為0.035 68 mm，靠近短滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在與滑塊連接處附近（即標(biāo)記“Minimum”）有最小形變量為0.003 858 mm。圖7（b）為從動(dòng)臂應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在其折彎處（即標(biāo)記“Maximum”）有最大應(yīng)力為6.577 MPa，靠近短滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在與滑塊連接處附近（即標(biāo)記“Minimum”）有最小應(yīng)力為0.008 166 MPa。

3.2 上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)

對電動(dòng)升降器裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并從中提取出主、從動(dòng)臂的分析結(jié)果如圖8所示。

圖8（a）為主動(dòng)臂形變分析結(jié)果。從圖中可以看出，主動(dòng)臂在靠近長滑槽側(cè)的折彎處（即標(biāo)記“Maximum”）處有最大形變量為0.055 21 mm，在渦卷彈簧固定銷處附近（即標(biāo)記“Minimum”）有最小形變量為0.00007332mm。圖8（b）為主動(dòng)臂應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，主動(dòng)臂在渦卷彈簧固定銷附近的折彎處（即標(biāo)記“Maximum”）有最大應(yīng)力為 13.51 MPa，在與從動(dòng)臂連接處附近（即標(biāo)記“Minimum”）有最小應(yīng)力為0.024 82 MPa。

圖9（a）為從動(dòng)臂形變分析結(jié)果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在其折彎處（即標(biāo)記“Maximum”）形變量最大為0.05125mm，靠近短滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在與滑塊連接處附近（即標(biāo)記“Minimum”）形變量最小為0.007126mm。圖9（b）為從動(dòng)臂應(yīng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，靠近長滑槽側(cè)的從動(dòng)臂在其折彎處（即標(biāo)記“Maximum”）有最大應(yīng)力為11.61 MPa，兩個(gè)從動(dòng)臂在連接處附近（即標(biāo)記“Minimum”）有最小應(yīng)力為0.011 42 MPa。

上述結(jié)果表明，該升降器的主、從動(dòng)臂在車窗玻璃從下止檔位置開始上升及上升到上止檔堵轉(zhuǎn)兩種狀態(tài)，其應(yīng)力和形變量從強(qiáng)度角度分析完全符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

圖9 從動(dòng)臂有限元分析

本文的意義在于用有限元分析法分析電動(dòng)升降器的應(yīng)力形變狀態(tài)，取代了傳統(tǒng)的理論分析。通過有限元分析軟件進(jìn)行靜態(tài)分析，計(jì)算出主、從動(dòng)臂的最大應(yīng)力和形變量，從下止檔位置開始上升狀態(tài)主、從動(dòng)臂形變量較小，但是上升到上止檔堵轉(zhuǎn)狀態(tài)它們的形變量較大，接近于許用的變形量，故其有剛度不足的缺陷，有必要對電動(dòng)升降器連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。同時(shí)，雖然在載荷的作用下產(chǎn)生的等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，但是為連桿機(jī)構(gòu)的疲勞分析提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，對該類型的升降器疲勞壽命的計(jì)算有一定借鑒作用。

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（編輯黃 荻）

Finite Element Analysis of Electric Riesr

CUI Xinglong1， XU Ge1， MAO Yong2， LI Lianhai3， JU Chuansheng3
（1.Liaoning Datang International Fuxin Coal Gas Co.,Ltd.,Fuxin 123000,China;2.SCHENKER Logistics Co.,Ltd., Suzhou 215324,China;3.Sbw Nuclear Power Company,Shenyang 110869,China）

By using the finite element analysis method,pressure and deformation of the automobile electric glass riser were analysed.Respectively the riesr on the state beginning to rise from the next stop and the state rising to stop locked-rotor was studied,and the raw data was analysed.By Nastran the finite element model was established,and by the finite element analysis method the whole assembly was studied,deformation and pressure of the active and random arm were analysed.The results show that the deformation of the active arm has a maximum in the bending near the long chute side,and a minimum in near the fixed pin of the scroll spring.The pressure of the active arm has a maximum in near the retaining rivet of scroll spring,and a minimum in the random arm joint.The deformation of the random arm near the long chute has a maximum in the bending,and the deformation of the random arm near the short chute has a minimum in the slider joint.The pressure of the random arm near the long chute has a maximum in the bending,and the pressure of the random arm near the short chute has a minimum in the slider joint.

finite element;riesr;deformation;pressure

U 463.85

A

1002－2333（2014）05－0181－04

崔興龍（1970—），男，工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作。

2014-03-07