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.模型導入及接觸形式：首先將處理過的幾何模型導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，去除應力集中點，車橋在最大載荷下的最大應力為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力為263 MPa；最大變形量為1.3 mm?？梢娮畲笞冃瘟肯鄬τ趹覓旖Y(jié)構(gòu)件尺寸來說是微小的，其最大應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，同時對應力集中點作加大圓角或增加過渡工藝處理，減小或消除應力集中。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)計及應用具有借鑒意義。

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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。