汽車尾板舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元分析

程?hào)|霽，胡雯婷，雷定中，鄔志軍

（1.皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 六安237012；2.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215021；3.瑞典查爾姆斯理工學(xué)院產(chǎn)品與生產(chǎn)開(kāi)發(fā)學(xué)院，瑞典 哥德堡）

0 引言

汽車尾板是安裝于貨車尾部的一種起重設(shè)備，它能夠大幅度地提高裝卸效率，節(jié)約人力資源，提高搬運(yùn)人員的安全保障以及降低貨物受損率。在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大量使用，尾板的種類也很多。圖1所示的是國(guó)外常見(jiàn)的幾種尾板。

圖1 發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)追N常見(jiàn)的尾板

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，自2008年至2010年3年期間，國(guó)內(nèi)外汽車尾板市場(chǎng)銷售總量數(shù)據(jù)如表1所示［1］。

表1 國(guó)內(nèi)外汽車尾板市場(chǎng)銷售總量對(duì)比（2008～2010年）

巨大的數(shù)字懸殊顯示了國(guó)內(nèi)汽車尾板市場(chǎng)發(fā)展的潛力。在國(guó)內(nèi)，由于相關(guān)法律法規(guī)不完善，勞動(dòng)力成本價(jià)廉及與尾板相關(guān)的配套設(shè)施尚不健全等原因，目前尚未普及使用汽車尾板。但是，隨著物流業(yè)的發(fā)展，勞動(dòng)力成本的漸漸增長(zhǎng)，汽車尾板必然得到企業(yè)和社會(huì)的重視。對(duì)于汽車尾板的研究將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)可觀的利益，同時(shí)也會(huì)給社會(huì)帶來(lái)非常有用的價(jià)值。目前，在標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范的前提下，部分尾板設(shè)計(jì)存在安全隱患，在舉升過(guò)程中液壓桿斷裂、尾板板面被撕裂、板面變形過(guò)大等情況時(shí)有發(fā)生。本文針對(duì)具體一款車型，介紹了平行四邊形原理的四缸尾板舉升機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)步驟，創(chuàng)建了三維模型，最后對(duì)其進(jìn)行有限元分析，給出了最大應(yīng)力及最大變形的位置及大小，為保障其在工作過(guò)程中安全可靠提供了理論依據(jù)。

1 汽車尾板的組成、運(yùn)動(dòng)過(guò)程及舉升機(jī)構(gòu)的工作原理

1.1 汽車尾板的組成

汽車尾板通常包括以下3個(gè)部分：①舉升機(jī)構(gòu)：舉升機(jī)構(gòu)包括搖桿、一組舉升液壓缸和一組翻轉(zhuǎn)液壓缸。②橫梁：橫梁與車底板縱梁連接；③尾板面板：承受被舉升的重物。如圖2所示。

1.2 汽車尾板的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

汽車尾板在工作過(guò)程中歷經(jīng)以下7個(gè)位置［3］：

圖2 汽車尾板結(jié)構(gòu)機(jī)械主體（1.舉升機(jī)構(gòu)；2.橫梁；3.尾板面板）

圖3 汽車尾板工作的7個(gè)位置

1.3 汽車尾板舉升機(jī)構(gòu)的工作原理

如圖4所示，通過(guò)改變翻轉(zhuǎn)液壓缸AC的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)尾板CDE繞D軸翻轉(zhuǎn)。即實(shí)現(xiàn)圖3中的關(guān)門、開(kāi)門、著地、離地的動(dòng)作。

如圖5所示，通過(guò)改變舉升液壓缸BK的長(zhǎng)度，帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)ODCA進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)尾板CDE的上下平動(dòng)。即實(shí)現(xiàn)圖3中的下降、舉升的動(dòng)作。

圖4 尾板翻轉(zhuǎn)的原理

圖5 尾板舉升原理

尾板在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)承載貨物或人員，如果因?yàn)槲舶宓臋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致在升降過(guò)程中出現(xiàn)桿件受壓失穩(wěn)，尾板的升降機(jī)鉸鏈斷裂和尾板變形過(guò)大等問(wèn)題，將有可能給使用者帶來(lái)巨大的人身傷害或財(cái)產(chǎn)損失，所以對(duì)尾板機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度有很高的要求。

2 汽車尾板舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文以徐工集團(tuán)的型號(hào)為NXG1160D3ZAL2X的貨車為例，其相關(guān)參數(shù)如表2所示，主要設(shè)計(jì)其尾板的舉升機(jī)構(gòu)。

表2 NXG1160D3ZAL2X型貨車參數(shù)

2.1 確定舉升機(jī)構(gòu)中桿件的尺寸

根據(jù)車型尺寸及尾板橫梁的安裝位置，如圖6所示確定搖臂L0的相關(guān)參數(shù)。

圖6 搖臂尺寸聯(lián)系圖

依據(jù)下面公式進(jìn)行舉升機(jī)構(gòu)中搖臂的尺寸計(jì)算。

β——搖桿與水平面的夾角，取40～50°；

代入H0＝1 300mm，上式得：

可根據(jù)具體情況，選取該范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

圖7是尾板舉升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)圖，用于確定在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中和舉升過(guò)程中液壓缸的行程，以及各連接鉸鏈中心的位置。

2.2 建立尾板的三維模型

根據(jù)舉升機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸，確定機(jī)構(gòu)的零件圖，利用三維軟件Autodesk Inventor建立三維模型如圖8所示。

圖7 尾板舉升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)圖

圖8 Autodesk Inventor環(huán)境中的尾板模型

3 汽車尾板舉升機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分析

為了給汽車尾板安全可靠的工作提供理論依據(jù)，需要對(duì)尾板結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。在進(jìn)行有限元分析之前，需要對(duì)各零件指定材料，劃分網(wǎng)格，施加約束及載荷。針對(duì)該尾板的模型，本文進(jìn)行了上止位點(diǎn)和下止位點(diǎn)兩個(gè)位置的應(yīng)力分析，承重為1t，圖9和圖10為其應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為131.8MPa和232.1 MPa，最大變形分別為7.267mm和8.748mm。完全可以滿足尾板的材料要求和工作需要。

圖9 尾板承受載荷在上止位時(shí)的應(yīng)力云圖

圖10 尾板承受載荷在下止位時(shí)的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

可以根據(jù)上述步驟和方法設(shè)計(jì)出汽車尾板的機(jī)械部分，其設(shè)計(jì)的尾板舉升機(jī)構(gòu)再通過(guò)有限元分析能夠直觀地發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度及剛度最薄弱的位置。當(dāng)承重為1t時(shí)，機(jī)構(gòu)內(nèi)部的最大應(yīng)力分別為131.8MPa和232.1MPa，最大變形分別為 7.267mm 和 8.748 mm。尾板機(jī)構(gòu)的選材和加工應(yīng)滿足上述要求，才能保證使用者的人身及財(cái)產(chǎn)安全。

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