壓縮式垃圾車副架的參數(shù)化設(shè)計(jì)與分析

位冬

WEI Dong

中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司 山東青島 266111

技術(shù)論壇

壓縮式垃圾車副架的參數(shù)化設(shè)計(jì)與分析

位冬

WEI Dong

中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司 山東青島 266111

以3 t壓縮式垃圾車上裝副車架為研究對(duì)象，介紹了使用基于參數(shù)化的模塊化設(shè)計(jì)和力學(xué)分析的思路，為今后其他車型上裝副車架的個(gè)性化設(shè)計(jì)、快速設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)以及力學(xué)分析優(yōu)化提供了參考。

壓縮式垃圾車 副車架 參數(shù)化 模塊化 有限元

1 前言

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)外人民對(duì)生活環(huán)境要求的日益提升，環(huán)衛(wèi)車市場(chǎng)獲得了史無(wú)前例的發(fā)展空間。在對(duì)底盤進(jìn)行改造的過(guò)程中，副車架作為連接底盤與上裝最關(guān)鍵的部件，其設(shè)計(jì)的合理與否，對(duì)壓縮式垃圾車的性能有著至關(guān)重要的影響。本文以3 t壓縮式垃圾車副車架為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行基于參數(shù)化的模塊化設(shè)計(jì)和受力分析，為今后副車架的設(shè)計(jì)提供了一套行之有效的設(shè)計(jì)方法。

2 垃圾壓縮車的底盤形式與副車架結(jié)構(gòu)

目前汽車上采用的車架主要有五種形式：邊梁式、中梁式、綜合式、無(wú)梁式和特殊材料一體成型式車架。而在壓縮式垃圾車市場(chǎng)主要采用邊梁式車架，其結(jié)構(gòu)由兩根位于兩邊的縱梁和若干橫梁組成，通過(guò)鉚接或焊接方式將縱梁與橫梁連接成堅(jiān)固的剛性構(gòu)架，橫梁用于連接左右兩個(gè)縱梁，以保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度并能夠承受一定的縱向載荷，同時(shí)支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器等主要部件[1]。

副車架作為連接底盤主車架與上裝的唯一部件，其原理和設(shè)計(jì)思路與主車架相同，其設(shè)計(jì)的合理性將直接影響整車的性能。

副車架由兩根豎梁、中間橫梁、中間橫梁封口板、中間橫梁加強(qiáng)板、后橫梁、后橫梁封口板、后橫梁卸料板等部件組成，副車架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 副車架結(jié)構(gòu)圖

3 基于參數(shù)化的模塊化設(shè)計(jì)

3.1 副車架的模型參數(shù)及設(shè)計(jì)要求

以3 t壓縮式垃圾車為例，主車架兩豎梁外寬為750 mm，底盤軸距為3 450 mm，對(duì)其主車架進(jìn)行改制，切掉后懸部分長(zhǎng)度，使整車底盤長(zhǎng)度達(dá)到改制的設(shè)計(jì)要求，副車架的整體長(zhǎng)度為3 445 mm，寬度為750 mm，第一根橫梁距豎梁最前端距離為300 mm。副車架尺寸如圖2所示。

圖2 副車架三視圖

基于參數(shù)化的模塊化設(shè)計(jì)是將三視圖中的各個(gè)重要尺寸賦予邏輯關(guān)系，使其在使用時(shí)輸入?yún)?shù)即可生成完全符合設(shè)計(jì)思路的新模型。其設(shè)計(jì)要求如下；

a. 副車架的豎梁寬度等于主車架豎梁的寬度；

b. 副車架豎梁長(zhǎng)度滿足改制后主車架的要求長(zhǎng)度；

c. 副車架的中間橫梁應(yīng)盡可能地均勻分布，使其受力情況達(dá)到最佳；

d. 副車架的中間橫梁、后橫梁組件寬度不得超出整車寬度；

e. 副車架的第一橫梁距豎梁最前端距離符合整體車箱容積的設(shè)計(jì)要求，且避免干涉；

f. 各副車架橫梁加強(qiáng)板應(yīng)位于中間橫梁的中間位置，使受力情況達(dá)到最佳。

3.2 副車架模型模塊化邏輯關(guān)系及參數(shù)設(shè)定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在CREO軟件中對(duì)圖中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定及邏輯編輯。

3.2.1 兩豎梁外端面寬度

定義兩豎梁外端面寬度為kuan。賦值1 500，定義距中心距離長(zhǎng)度為da_1，

則有：

!kuan=1500 !da_1=kuan/2

3.2.2 兩豎梁長(zhǎng)度

定義兩豎梁長(zhǎng)度為chang。賦值3445，定義參數(shù)da_2進(jìn)行中間代換，則有：

!chang=3445 !da_2=chang

3.2.3 均勻分布中間橫梁間距及第一橫梁間距

定義第一橫梁距豎梁最前端距離da_3，且賦值300，并定義中間參數(shù)代換，則有：

!dshaoc=300 !da:3=dshaoc

定義需要參與邏輯運(yùn)算的名義長(zhǎng)度，均勻分布的名義長(zhǎng)度，均勻分布的個(gè)數(shù)，均勻分布的長(zhǎng)度，以及需要中間進(jìn)行代換的參數(shù)和其他相關(guān)重要參數(shù)changd、nduoc 、chang1、dshaoc、 jianjud 、beta、cgm等。則有：

!changd=chang1-dshaoc !jianjud=1000 !beta=changd/jianjud !nduoc=floor(beta)

!cgm=beta-nduoc !if cgm=0 !dduoc=jianjud !nduoc=changd/jianjud

!else !dduoc=(changd/(floor(changd/jianjud)+1)) !nduoc=floor(changd/dduoc) !endif

同時(shí)定義需要在豎梁上進(jìn)行切除的參數(shù)pb_1，pb_2以及邏輯關(guān)系式。

!changd=chang1-dshaoc !jianjud=1000 !beta=changd/jianjud !nduoc=floor(beta)

!cgm=beta-nduoc !if cgm=0 !pb_2=jianjud !pb_1=changd/jianjud

!else !pb_2=(changd/(floor(changd/jianjud)+1)) !pb_1=floor(changd/dduoc) !endif

3.2.4 其他部件設(shè)計(jì)

在模型中使用整體化建模的思路和參數(shù)化裝配的設(shè)計(jì)思路對(duì)其他附屬部件：封口板，支撐板，以及后橫梁組件（后橫梁、后橫梁封口板、后橫梁卸料板）進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配。

對(duì)相關(guān)參數(shù)以及邏輯編寫完成后，將其導(dǎo)入模型，進(jìn)行操作，即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，生成個(gè)性化且符合設(shè)計(jì)要求的新模型。

在相關(guān)的設(shè)計(jì)要求中，橫梁的均勻分布是一個(gè)相對(duì)重要的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)定的邏輯參數(shù)中，首先定義其間距為1 000，即jianjud=1000，但因其參與邏輯運(yùn)算的名義長(zhǎng)度不滿足整除條件，因此會(huì)在間距的基礎(chǔ)上向下遞減，直至其間距符合在名義長(zhǎng)度下的均勻分布的要求，即942（取整數(shù)）。

3. 3 參數(shù)模塊化的應(yīng)用

將定義參數(shù)和邏輯關(guān)系傳遞至上裝總成，進(jìn)行變換。

圖3為廂體、副車架原尺寸模型及更改窗口，圖4為設(shè)定副車架豎梁間距參數(shù)分別為400、750（原尺寸）、1 000、1 125模型圖，圖5為設(shè)定副車架橫梁間距參數(shù)分別為500、750、1 000（原尺寸）、2 000模型圖，圖6為設(shè)定副車架第一根橫梁間距參數(shù)分別為100、300（原尺寸）、500、1 000模型圖，圖7為設(shè)定副車架豎梁總長(zhǎng)度參數(shù)分別為1 720、3 445（原尺寸）、6 890、10 335模型圖。

圖3 廂體及副車架參數(shù)更改窗口

圖4 副車架豎梁間距400、750（原尺寸）、1 000、 1 125模型圖

圖5 副車架橫梁間距500、750、1 000（原尺寸）、2 000模型圖

圖6 副車架第一根橫梁間距100、300（原尺寸）、500、1 000模型圖

圖7 副車架豎梁總長(zhǎng)度1 720、3 445（原尺寸）、6 890、10 335模型圖

由圖3～7可見，在進(jìn)行參數(shù)更改時(shí)，廂體以及副車架的變化能夠符合設(shè)計(jì)者意圖，且效率極高，在對(duì)其他不同底盤進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可大幅提高工作效率，最大限度減少工作量，同時(shí)其生成的模型可以滿足個(gè)性化、標(biāo)準(zhǔn)化及模塊化的設(shè)計(jì)要求。組合使用可以覆蓋所有車型對(duì)上裝尺寸的要求。

4 副車架的強(qiáng)度計(jì)算

4.1 模型前處理

將原尺寸模型導(dǎo)入ABAQUS中，因其尺寸較大，需要對(duì)其進(jìn)行0.01的縮放，以便于進(jìn)行計(jì)算。模型前處理如圖8所示。

對(duì)模型進(jìn)行材料定義（Q235B），分析步設(shè)定，載荷設(shè)定豎梁下表面約束，即x軸、y軸和z軸方向的平移約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束。為更直觀地體現(xiàn)受力變形，在豎梁上表面以及橫梁上表面施加10 MPa壓強(qiáng)，網(wǎng)格劃分等操作，最后提交任務(wù)[2]。

4.2 模型后處理結(jié)果及分析

得到應(yīng)力、應(yīng)變、位移、反作用力后處理結(jié)果如圖9所示，最大值點(diǎn)如圖10所示。選取應(yīng)力最大值單元和應(yīng)變最大值單元，繪制應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的變化關(guān)系曲線如圖11所示。

由圖9～11可知：

a.在應(yīng)力方面，第一根橫梁與豎梁連接處所受的應(yīng)力最大，因此在橫梁均勻分布的前提下，對(duì)第一橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)和位置的優(yōu)化很有必要；

b. 在應(yīng)變方面，中間橫梁與豎梁外側(cè)連接處的應(yīng)變最大，因此可以考慮在豎梁外側(cè)與各橫梁之間焊接加強(qiáng)板來(lái)減少應(yīng)變；

c. 在位移方面，各橫梁最外側(cè)的位移最大，同樣需要在豎梁外側(cè)與各橫梁之間焊接加強(qiáng)板來(lái)減小位移；

d. 反作用力方面，后橫梁組件與豎梁連接處的反作用力最大，因此在豎梁末端使用導(dǎo)角過(guò)渡，可使豎梁所受的反作用力更均勻，受力情況更好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以3 t垃圾壓縮車的副車架為研究對(duì)象，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，即基于參數(shù)化的模塊化設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在能夠大幅提高設(shè)計(jì)效率、降低工作強(qiáng)度；生成的模型符合規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，能夠極大限度地降低因設(shè)計(jì)人員失誤所造成的零部件的干涉問(wèn)題；可以覆蓋同類型所有產(chǎn)品規(guī)格尺寸，為因客戶需要而帶來(lái)的個(gè)性化設(shè)計(jì)提供了解決方案。

圖11 應(yīng)力、應(yīng)變最大值單元關(guān)系曲線

本設(shè)計(jì)方法使用有限元分析軟件對(duì)模塊化設(shè)計(jì)后的副車架進(jìn)行分析，并提出合理的優(yōu)化方案，為企業(yè)今后優(yōu)化副車架的結(jié)構(gòu)提供了一定的參考。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2]石亦平.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

Based on Parametric Module Design and Structural Analysis of Compression Type Garbage Truck Sub-frame

Based on the sub-frame of compression type garbage truck, the module design (based on parametric) and analysis were elaborated, basing on the sub-frame of 3t truck, and some suggestions were put forward about module design (based on parametric) and analysis, providing reference for the henceforth problems related to the same case.

compression type garbage truck; sub-frame; parametric design; module design; finite element

U469.6+91.02

A

1004-0226(2017)08-0098-04

位冬，男，1989年生，助理工程師，現(xiàn)從事環(huán)衛(wèi)車設(shè)計(jì)工作。

2016-09-18