重卡駕駛室舉升油缸設計

寧方勇 王麗鵬 王旭 張帥

摘 要：文章介紹了重卡駕駛室舉升油缸的結構和布置，通過有限元分析軟件ANSYS對舉升油缸支座進行強度分析，并根據分析結果對舉升油缸支座結構優(yōu)化。

關鍵詞：重卡駕駛室;舉升油缸;支座;ANSYS

Abstract： The article introduces the structure and arrangement of the lifting cylinder of the heavy truck cab， analyzes the strength of the bearing of the lifting cylinder by using the finite element analysis software ANSYS， and optimizes the structure of the bearing of the lifting cylinder according to the analysis results.

Keywords： Heavy truck cab; The lifting cylinder; Bearing; ANSYS

前言

為方便車輛的維修和保養(yǎng)，平頭重卡駕駛室都設計有液壓翻轉機構。重卡駕駛室液壓翻轉機構包括舉升油缸、舉升油缸支座、油泵、液壓鎖、油管。油泵輸出液壓油，通過油管進入舉升油缸，推動活塞桿的伸縮，使駕駛室繞翻轉軸上升和下降。本文主要介紹了重卡駕駛室液壓翻轉機構的液壓原理，舉升油缸的結構選型和布置，通過有限元分析軟件ANSYS對舉升油缸下支座的強度分析和結構優(yōu)化。

1 舉升油缸結構選型

舉升油缸上端與駕駛室連接，下端與車架連接。車輛行駛過程中，駕駛室與車架之間存在上下相對運動。為適應駕駛室與車架的相對運動，舉升油缸主要采用兩種結構：一是缸筒底部擴口結構的舉升油缸（簡稱：擴口式舉升油缸，下同），一是活塞桿頂部增加鉸鏈結構的舉升油缸（簡稱：鉸鏈式舉升油缸，下同）。

1.1 擴口式舉升油缸結構

擴口式舉升油缸（見圖1）分為活塞桿、缸筒?；钊麠U上端固定在駕駛室地板縱梁上，缸筒下端固定在車架上。舉升油缸缸筒底部為變徑結構，從點A以上缸筒內徑為D2，點A以下缸筒內徑為D3，活塞桿外徑D1。圖1所示為車輛靜止時活塞桿的位置?；钊邳cA和點D之間運動時，油缸的上腔和下腔處于連通狀態(tài)，即活塞和缸筒內壁存在間隙，活塞在缸筒內可以自由的上下運動，解決車輛行駛過程中駕駛室與車架的相對運動問題。點A與點B之間的距離為油缸自由浮動的上行程，點C與點D之間的距離為油缸自由浮動的下行程。上行程和下行程由駕駛室與車架的相對運動距離決定。擴口式舉升油缸需采用差動式液壓回路（見圖2）。

舉升油缸上升時：換向閥轉到1處，液壓油在油泵的驅動下通過換向閥、液控單向閥進入舉升油缸，因舉升油缸的上腔和下腔通過油路連通，所以舉升油缸上腔和下腔的壓強P相同。

活塞上表面受到向下的力：

活塞和活塞桿在壓力F的作用下，帶動活塞桿向上運動。

舉升油缸下降時：換向閥轉到2處，液壓油在油泵的驅動下，液壓油通過單向閥和換向閥進入舉升油缸上腔，推動活塞向下運動。舉升油缸下腔的液壓油經液控單向閥和換向閥流回油箱。

1.2 鉸鏈式舉升油缸

鉸鏈式舉升油缸（見圖3）分為連接板、鉸接軸、活塞桿、缸筒?；钊麠U上端與連接板通過鉸接軸連接，缸筒下端固定在車架上，連接板的另一端固定在駕駛室地板縱梁上。車輛行駛過程中，通過舉升油缸與連接板繞鉸接軸擺動來解決駕駛室與車架的相對運動問題。鉸鏈式舉升油缸采用的液壓回路見圖4。

鉸鏈式舉升油缸上升時：換向閥轉到1處，液壓油在油泵的驅動下，液壓油通過換向閥和液控單向閥進入舉升油缸下腔。

活塞下表面受到向上的力：

活塞和活塞桿在壓力F的作用下，帶動活塞桿向上運動。油缸上腔的液壓油經液控單向閥和換向閥流回油箱。

鉸鏈式舉升油缸下降時：換向閥轉到2處，液壓油在油泵的驅動下，液壓油通過換向閥和液控單向閥進入舉升油缸上腔，推動活塞向下運動。舉升油缸下腔的液壓油經液控單向閥和換向閥流回油箱。

通過兩種舉升油缸的結構和液壓回路原理分析，可以得出結論：（1）擴口式舉升油缸缸上升時舉升油缸只進油不出油，鉸鏈式舉升油缸是下腔進油上腔出油，在油泵出油量一樣的條件下，擴口式舉升油缸缸上升速度快比鉸鏈式舉升油缸快。（2）在舉升油缸活塞桿直徑D1、缸筒內徑D2相同，系統(tǒng)壓強相同的情況下，擴口式舉升油缸缸舉升壓力小于鉸鏈式舉升油缸。在設計中，應根據對上升速度和壓力的要求選用合適的舉升油缸結構。

2 舉升油缸的布置

2.1 舉升油缸的布置

舉升油缸上固定點通過舉升油缸上支座固定在駕駛室地板縱梁上，舉升油缸下固定點通過舉升油缸下支座固定在車架上， 舉升油缸與車輛Y0基準平面平行。

2.2 翻轉角度的確定

駕駛室質心與翻轉連線與水平線的夾角為質心角，質心角的余角即是駕駛室的質心垂線經過翻轉軸時駕駛室的翻轉角度，記為α?？紤]到駕駛室翻轉工作環(huán)境，為保證維修人員安全性，駕駛室的設計翻轉角度比角度α大3°到5°，記為角度β。為防止舉升油缸斷裂時駕駛室向前下落，駕駛室需增加限位拉桿裝置。

2.3 舉升油缸行程的確定

舉升油缸與翻轉軸的距離越近，舉升油缸的承載力越大，工作行程則相應較短;反之，舉升油缸與翻轉軸的距離越遠，舉升油缸的承載力越小，但工作行程則較長。舉升油缸上固定點和下固定點需根據整車布置綜合考慮確定。駕駛室的翻轉角度β，旋轉軸，舉升油缸上固定點和舉升油缸下固定點確定后，可以使用CATIA繪圖軟件確定舉升油缸的行程（見圖5）。O點為駕駛室旋轉軸，A點為舉升油缸上固定點，B點為舉升油缸下固定點。使用CATIA軟件，以O點為原點，以長度OA為半徑轉動角度β，舉升油缸上固定點轉到C點。長度BC為舉升油缸的最大伸展長度。舉升油缸最大伸展長度BC與舉升油缸初始安裝長度BA的差值即為舉升油缸的行程。

2.4 舉升油缸舉升力計算

駕駛室剛開始翻轉時，駕駛室質心的力臂最大，此時需要的舉升力也最大。重量G方向朝下，力臂長度L1。舉升油缸的舉升力F與舉升油缸軸心的方向相同，力臂為翻轉軸到油缸的垂直距離L2（見圖6）。駕駛室翻轉時，舉升油缸需要的舉升力為：

考慮駕駛室其他因素，舉升油缸的舉升力按照系數1.2設計。

3 舉升油缸下支座的強度分析和結構優(yōu)化

舉升油缸通過舉升油缸下支座固定在車架上，現在重卡駕駛室重量越來越大，舉升油缸的舉升力也越來越大，對油缸下支座的強度要求越來越高。為保證舉升油缸下支座的強度和滿足車輛輕量化設計，利用有限元分析軟件ANSYS對舉升油缸下支座進行強度分析，成為舉升油缸下支座強度分析和結構優(yōu)化的重要方法。下面以某車型為例，介紹使用有限元分析軟件ANSYS對舉升油缸下支座強度分析，并根據分析結果對舉升油缸支座結構優(yōu)化。此車型舉升力為27708N，現按照1.5的安全系數，即舉升力41563N，分析舉升油缸下支座的強度。

3.1 邊界設置

通過對舉升油缸下支座和周邊連接件的受力分析，對車架進行約束。沿舉升油缸軸心方向對舉升油缸下支座加載41563N的力（見圖7）。

3.2 舉升油缸下支座強度分析

通過舉升油缸應力云圖（圖8）分析，有的部位應力達到687MPA，應力較大，存在安全隱患;有的部位應力很小，材料強度富裕，可以在保證強度的情況下增加減重孔。

3.3 舉升油缸下支座結構優(yōu)化

根據舉升油缸下支座應力云圖的應力分布和大小，對應力大的加強筋增加厚度，并增大圓角;對應力小的部位，增加兩個橢圓形的減重孔。

3.4 舉升油缸下支座結構優(yōu)化后強度分析

通過有限元分析軟件ANSYS軟件對優(yōu)化后的舉升油缸下支座重新進行強度分析。通過舉升油缸應力云圖（見圖9）分析，最大應力減小到352MPA。優(yōu)化后舉升油缸的最大應力減小了48%，安全性大幅提高。通過增加減重孔，舉升油缸下支座的重量減輕了9%。

參考文獻

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