重型車尾門液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

卿艷青，延 偉，鄧希來

(湖南三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100)

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，汽車尾門可分為對(duì)開式、側(cè)開式、上翻式、下翻式。其中對(duì)開式和側(cè)開式一般依靠人力開啟。對(duì)于重型車，由于其尾門質(zhì)量大，多采用液壓或氣動(dòng)開啟的上翻式和下翻式結(jié)構(gòu)。下翻式尾門結(jié)構(gòu)在開啟后可以兼做登梯直接供人員進(jìn)出車內(nèi)，應(yīng)用越來越廣，而其他開門方式必須在車輛尾部增加踏板，在增加成本的同時(shí)還影響了整車的通過性。本文設(shè)計(jì)了一種重型車下翻式尾門液壓翻轉(zhuǎn)裝置，以10s內(nèi)穩(wěn)定開/閉尾門為設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了該方案的設(shè)計(jì)、主要液壓元件的選型和樣車驗(yàn)證等工作。

1 尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)確定的門框尺寸設(shè)計(jì)滿足承載要求的尾門結(jié)構(gòu)。

1)確定車體后門框開口尺寸。

根據(jù)GJB1824—1993《裝甲車輛門窗孔尺寸》要求，尾門最小的開口尺寸H(高)×W(寬)為950mm×850mm[1]。本文結(jié)合人機(jī)工程及整車高度布置要求，按最大化原則最終確定車體尾門開口尺寸為H=1 150mm、W=1 000mm。

2)確定尾門結(jié)構(gòu)和鉸鏈位置，并初定油缸支座的位置。

尾門翻轉(zhuǎn)后兼做人員進(jìn)出的登梯，故尾門主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙層框架帶防滑條的結(jié)構(gòu)，其材料采用厚度為6mm、牌號(hào)為Q345B的高強(qiáng)鋼板。尾門主體結(jié)構(gòu)上焊接有重型合頁，該合頁與裝配在車體上的重型合頁進(jìn)行鉸接，實(shí)現(xiàn)尾門翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。

為方便人員上下車，設(shè)定尾門翻轉(zhuǎn)后，其最遠(yuǎn)端上表面距地面的距離為400mm；結(jié)合尾門尺寸，可知此時(shí)尾門與豎直面的開啟角度為130°。

在尾門兩側(cè)與車身之間設(shè)計(jì)有包膠鏈條。該鏈條可對(duì)尾門開啟角度進(jìn)行限位并在尾門開啟后，作為人員上車時(shí)的拉手，并與鉸鏈銷軸、液壓油缸一起支撐上車人員和貨物，起到保護(hù)液壓缸和鉸鏈的作用。即使液壓系統(tǒng)失效，尾門也不會(huì)直接砸向車底。

根據(jù)車體總布置要求并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在車體內(nèi)底板上及尾門鉸接位置靠右側(cè)初定液壓翻轉(zhuǎn)油缸的油缸支座。

綜合門框尺寸、尾門強(qiáng)度及人機(jī)工程完成的三維初始模型如圖1所示。

圖1 尾門三維初始模型

2 尾門液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)尾門鉸接位置、油缸安裝座位置和開啟角度等要素首先確定翻轉(zhuǎn)油缸行程及安裝距。進(jìn)而結(jié)合尾門質(zhì)量、開閉時(shí)間等參數(shù)確定整個(gè)液壓系統(tǒng)主要零部件的參數(shù)。

1)計(jì)算翻轉(zhuǎn)油缸的行程及安裝距。

依據(jù)三維模型建立圖2所示的尾門開閉簡化圖。圖中A為車體上油缸支架的鉸接點(diǎn)，B為尾門的鉸接中心，C為尾門上油缸支架的鉸接點(diǎn)，b1為尾門開啟終點(diǎn)位置油缸的長度，b2為尾門關(guān)閉鎖止位置油缸的長度。假定油缸行程為L，油缸的無效長度為200mm，則有：

b1=2L+200

b2=L+200

圖2 尾門開閉簡化圖

油缸行程與油缸支架的初始布置位置無關(guān)，可按初始布置的油缸支座位置計(jì)算油缸行程，從三維模型上測(cè)得b1=958mm，b2=528mm。此時(shí)L=b1-b2=958-528=430(mm)，考慮到安全裕度，取L=450mm。

反推b1，b2的最小長度為

b1=2L+200=1 100(mm)

b2=L+200=650(mm)

2)尾門液壓系統(tǒng)選型。

按上述計(jì)算結(jié)果，將車體上的油缸支架左移，確保b2=650mm，如圖3所示。

圖3 油缸位置確定后的尾門開閉簡化圖

經(jīng)分析，液壓翻轉(zhuǎn)油缸在尾門處于開啟最大位置時(shí)所需的力最大，如圖3開啟位置。此時(shí)油缸相對(duì)車門鉸接點(diǎn)的力臂L1=88mm，重心至鉸接點(diǎn)的力臂L2=505mm。已知尾門質(zhì)量m為190kg，要求尾門開啟時(shí)間t=10s，液壓系統(tǒng)壓力P=16MPa，油缸的負(fù)載率取0.6，傳動(dòng)效率為0.98。

尾門打開在最大位置的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：

M=mgL2=190×9.8×0.505=940.31(N·m)

式中：g為重力加速度。

根據(jù)力矩平衡可知液壓缸的最小拉力為：

F=M/(L1×0.98)=10 903.41(N)

則液壓缸的實(shí)際拉力為：

F1=F/0.6=18 172.35(N)

根據(jù)活塞桿實(shí)際拉力及材料的屈服強(qiáng)度計(jì)算活塞桿直徑d：

即

查手冊(cè)可知45號(hào)鋼材的屈服強(qiáng)度σs≥355MPa[2]，材料的屈服極限δp取1.5倍的安全系數(shù)，即δp=355/1.5=236MPa。由此可得d=0.01m，結(jié)合實(shí)際，取d=20mm。

計(jì)算油缸內(nèi)徑D：

式中：P為系統(tǒng)壓力，P=16MPa。計(jì)算可得D=0.032m，取D=35mm。

計(jì)算系統(tǒng)流量q：

即

計(jì)算可得，q=4.33×10-5m3/s，即q=2.6L/min，取q=3L/min。

計(jì)算泵排量ε：

ε=q/k

式中：k為電機(jī)轉(zhuǎn)速，k=2 500r/min。計(jì)算可得ε=1.2mL/r。

計(jì)算電動(dòng)泵的功率P1：

P1=Pq/(60×0.85)

計(jì)算可得：P1=0.94kW，取P1=1kW。

由此可得液壓翻轉(zhuǎn)油缸的規(guī)格為φ35mm×φ20mm×450mm，電動(dòng)泵的功率為1kW，排量為1.2mL/r。最終的三維布置如圖4所示。

圖4 尾門液壓油缸布置三維模型

尾門液壓系統(tǒng)原理圖如圖5所示，電機(jī)帶動(dòng)油泵通過換向閥后驅(qū)動(dòng)雙向油缸控制尾門開閉，油缸進(jìn)出端均設(shè)有用于保證液壓系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的平衡閥。另外，該系統(tǒng)設(shè)置有手動(dòng)泵，在斷電的情況下，可通過操作手柄完成尾門的開閉動(dòng)作。

圖5 尾門液壓系統(tǒng)原理圖

3 方案驗(yàn)證

按上述液壓方案參數(shù)完成選型并進(jìn)行了樣車試制，如圖6所示。液壓系統(tǒng)電機(jī)泵由車載電瓶驅(qū)動(dòng)，實(shí)測(cè)尾門開啟時(shí)間為8s，尾門關(guān)閉時(shí)間為10s，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 尾門液壓翻轉(zhuǎn)裝置裝車效果圖

4 結(jié)束語

本文以實(shí)際項(xiàng)目為背景，介紹了一種重型車尾門液壓翻轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)和選型過程，并對(duì)其使用效果進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果滿足設(shè)定目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 裝甲車輛門窗孔尺寸：GJB 1824—1993[S].

[2] 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：GB/T 699—1999[S].