导向臂支架（共4篇）
导向臂支架 篇1
引言
随着国内快递物流运输的兴起,用户对车辆的轻量化、舒适性有了更高的要求,而复合空气悬架由于具有重量轻、舒适性好、悬架高度可调的特点而受到广泛关注。
为进一步体现复合空气悬架重量轻的优势,本文以该悬架系统中的导向臂支架作为研究对象,借助拓扑分析及有限元计算工具,进行轻量化设计。
1、现有结构结构强度及疲劳分析
导向臂支架需承受来自导向臂的纵向力、侧向力及扭转力矩,此支架的强度对整车行驶过程中的安全性有至关重要的影响。
1.1有限元模型
如图1所示,采用Hyper Mesh对该支架进行网格划分,同时为模拟实际约束条件,通过截取部分车架,将导向臂支架通过螺栓与车架连接为一个整体。其中,车架总成采用面网格,导向臂支架采用体网格。
1.2约束边界条件
对车架两端进行全约束,导向臂支架与车架之间采用10条M14×1.5螺栓连接,在导向臂总成在导向臂支架处安装中心点加载。
1.3载荷边界条件
根据该支架在悬架系统中的作用,按以下四个工况进行加载分析:超载工况;重载急转弯;重载强制动;车架扭转。具体加载力见表1,数据提取于整车多体分析。
1.4结构强度及疲劳分析
1.4.1静强度分析
该支架所用材料为QT500-7,按以上约束及载荷条件,对原方案支架进行静强度分析。经分析,如图2所示,各工况安全系数分别为:3.79、9.05、3.39、1.54。
2、拓扑优化
为达到轻量化设计目的,缩短设计周期,采用拓扑优化手段改变材料布局,从而实现不降低强度同时实现轻量化。
2.1拓扑优化方法
目前常用的连续体拓扑优化方法有均匀化方法、变密度法和渐进结构优化法等。本文采用变密度法进行导向臂支架的拓扑优化,其基本思想是引入一种假想的密度在0~1之间的密度可变材料,将连续结构体离散为有限元模型后,以每个单元的密度为设计变量,将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。
2.2导向臂支架的优化设计
在Hyper Mesh中把离散后的有限元模型划分成设计空间和非设计空间,定义设计变量、设计目标和约束条件,通过pti Struct求解器对拓扑模型进行优化计算,在Hyper View中进行后处理,最后利用RADIOSS求解器对重新设计的优化模型进行性能分析。
2.3设计空间和非设计空间
将螺栓连接部位及导向臂安装部位设置为非设计空间,而设计空间是在保证零件之间不发生干涉的情况下以原结构为基础,根据零部件与周围相连部件间的静态装配关系、运动关系等条件而确定的。基于以上原则且保证优化过程中的拓扑空间,完成该支架拓扑优化空间,如图3所示。
2.4拓扑优化
该导向臂支架拓扑优化主要综合考虑3种载荷工况下结构全局应力约束、关键点的位移约束和体积比约束等。模型全局应力约束上限值为280 MPa;设定导向臂支架的体积比上限为0.5,即最多保留拓扑模型总体积的50%;保证优化后模型第1阶频率不低于原结构;设定载荷集中点的位移约束为最大位移1.5 mm;考虑设计零件的可制造性,使用脱模方向约束创建拓扑优化设计变量,允许模具沿给定方向滑动。
2.5拓扑结果
利用Hyper Works中的Opti Struct平台进行拓扑优化,图4为导向臂支架拓扑优化空间的材料密度分布云图。
根据拓扑优化结果,综合铸造工艺、设计经验,利用catia软件完成优化方案设计。
2.6优化前后性能对比
按原方案约束及载荷边界条件对优化后的方案进行静强度分析,得到的优化方案应力云图见图5所示。
与原方案静强度进行对比分析,结果见表2所示。
由表2可知,优化方案的安全系数虽较原方案均略有下降,但均不小于1,可满足使用要求。而作为本次优化的重点关注项目,优化方案实现降重19%,不仅成功实现降重目标,且提升了铸造工艺性及美观性,同时降低了装配工人的劳动强度。
参考文献
[1]杨银辉,上官望义,马生平,杨忠平,司震鹏.基于Hyper Works导向臂支架的结构优化及改进设计.汽车实用技术,2014(10).
[2]赵永辉,马力,王元良,等.自卸车举升机构三角臂拓扑优化设计.专用汽车.2007(9):33~34.
导向臂支架 篇2
随着整车轻量化的发展需求,轻量化悬架系统的应用也是整车降低自重的一种关键技术途径,本文所介绍的某6×4牵引车所采用的复合式空气悬架系统相比板簧悬架重量降低220kg左右,但是提高了燃油经济性和舒适性。复合式空气悬架系统主要由导向臂、导向臂支架、空气弹簧、横向推力杆、限位块、减振器和控制系统(高度阀控制或ECAS控制)组成,如图1所示,其中导向臂支架为该系统的一关键零部件总成,在该悬架系统开发初期,可靠性道路试验进行到6397km时,导向臂支架发生断裂失效,通过对失效模式分析,主要是由于结构不合理导致,为此,本文主要运用HyperWorks软件对原结构进行了结构优化及改进设计,满足了车辆的使用要求,也降低了整车自重。
1、失效原因分析
失效导向臂支架如图2所示,断裂位置在支架下排孔根部,从宏观断口可知,断口纹理清晰,为局部疲劳失效,且断口上有多个疲劳源,再通过化学成分分析及金相组织检验分析,结果符合标准,测量结果见表1。另外,通过对导向臂支架设计结构的分析,该支架上排孔与下排孔凸台高度大,过渡圆角小,导致下排孔根部过渡部分应力集中,结构设计不合理,后续重点将对导向臂支架的结构进行优化设计,以解决导向臂支架的失效问题。
2、改进方案及静强度分析
结构优化原则是在原支架结构基础上进行结构改进,支架安装螺栓数量、材料及硬点安装尺寸保持不变,后续的设计方案依此为设计基准。
2.1 导向臂支架材料属性
导向臂支架材料为球墨铸铁,牌号为QT500-7,材料力学性能见表2。
2.2 导向臂支架使用工况及载荷
根据复合空气悬架车型的使用工况,在车辆转弯、制动和加速三种典型工况下对导向臂支架的改进前方案、改进后的3种方案进行分析,表3为作用在导向臂支架各工况下的载荷,表中所列各载荷大小均为模拟计算值,后续还需可靠性试验的进一步验证。
2.3 载荷约束条件
在后续方案分析模型中添加刚性单元REB2来定义位移约束,添加刚性单元REB3来定义载荷作用位置,该导向臂支架中共添加10处用于固定约束的REB2,分别位于支架上端两排孔与车架连接处,1个用于载荷施加的REB3单元,位于支架下端导向臂支架与导向臂的连接处,如图3。
2.4 优化方案的确定
方案1,在原方案基础上将下排孔与上排孔用竖筋过渡,消除原支架应力集中设计,将中间开口部位两列孔之间用过渡筋连起来,直到将该筋下延至基体,该方案改进后单个支架重量增加2.5kg,利用Hyperworks软件对导向臂支架进行网格划分,由于导向臂支架结构复杂,这里采用三角形与四面体的混合单元,网格尺寸4mm (以下方案也是按此进行网格划分),有限元模型节点数50946,实体单元数21935。利用Hyperworks软件的OptiStruct进行有限元静强度分析,经分析转弯、制动、加速三种工况,其中在转弯工况时导向臂支架的应力最大,原方案最大为149Mpa,安全系数为2.15,方案1的最大应力值为133.8Mp,安全系数2.38,方案1相比原方案有所改善。如图4、5分别为原方案和方案1的三维模型和分析结果。
方案2,在进行方案设计时,由于布置原因,原方案导向臂支架与燃油箱存在干涉问题,为此,将原导向臂支架下端导向臂的安装方式由两个螺栓连接改进为销连接,同时将导向臂支架中间向中间收拢,内侧板加强,与导向臂支架下部圆滑过渡,该方案改进后单个支架重量降低3kg,同时利用Hyperworks软件对导向臂支架进行网格划分,划分后有限元模型节点数41623,实体单元数175094。利用Hyperworks软件的OptiStruct进行有限元静强度分析,经分析转弯、制动、加速三种工况,其中在转弯工况时导向臂支架的应力最大,该方案的最大应力值为344Mp,安全系数仅为0.93,相比原方案,应力太大。如图6所示为方案2的三维模型和分析结果。
方案3,是在方案2的基础上进行优化设计,在下排外侧孔两孔的侧部,圆滑过渡四条S结构的竖筋,直到过渡至上排四个孔处,同时考虑到螺栓的装配,将下排中间部位的孔凸起,以便于安装螺栓,并将两侧与导向臂下端连接的筋进行加厚处理,消除方案2中应力偏大的问题,该方案改进后单个支架重量降低2kg,同时利用Hyperworks软件对导向臂支架进行网格划分,划分后有限元模型节点数43868,实体单元数18742。利用Hyperworks软件的OptiStruct进行有限元静强度分析,经分析转弯、制动、加速三种工况,其中在转弯工况时导向臂支架的应力最大,该方案的最大应力值为129Mp,安全系数仅为2.48,相比原方案应力大幅降低。如图7所示为方案3的三维模型和分析结果。
原方案与改进方案的对比分析结果见表4。
由以上的分析结果可以看出,方案2最大应力远大于原方案,方案2不可取;方案1相比原方案,最大应力和安全系数略有提高,但是重量增加较多,作为标载轻量化牵引车,同时方案1不利于整车布置,该方案也不可行;方案3与原方案相比,最大应力降低至129Mpa,重量降低了8%,因此选择方案3为导向臂支架的最终改进方案。
3、疲劳分析及试验验证
为了进一步验证方案3的可行性,运用Radioss中的Fatigue求解器,对原方案和方案3进行了S-N寿命对比分析,分析时采用采用常应变幅载荷,原方案从支架下排孔根部周围疲劳最短,最低疲劳寿命仅为6.65万次,与第一次道路试验结果基本吻合;方案3在同样区域疲劳寿命低,但是最低循环为28万次,疲劳寿命高于原支架4.29倍,因此采用方案3是可行,结构设计合理,在质量大大减轻的同时大幅提高了支架的疲劳寿命,具有很高的使用价值。
根据第二次改进结果,按照方案3的优化结果,进行了第二次15000km道路可靠性试验,经过试验验证,改进后的导向臂支架未发生裂纹、断裂等故障,与疲劳分析结果一致,完全满足产品改进的要求。图8为三维装配验证和道路试验装车情况。
4、结论
本文通过对复合空气悬架导向臂支架断裂原因进行了分析,排除了导向臂支架的铸造缺陷、材料及工艺加工问题,最终确定导向臂支架的断裂原因主要是由于结构设计不合理导致断裂,为此,在原结构的基础上,保持原安装结构基本不变的原则,运用catia三维建模,分别完成三种方案的三维建模和静强度分析,通过分析结果比对,方案3相比原方案,重量降低了8%,疲劳寿命提高了13%。最后经过疲劳寿命分析和15000km的道路可靠性试验,改进后的导向臂支架(方案3)满足设计使用要求,目前采用该导向臂支架的复合空气悬架车型已批量投放市场,市场反馈效果良好,经济效益也很显著。
参考文献
[1]张胜兰,郑东黎,郝琪,李楚琳.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M].机械工业出版社,2007.
[2]吴仕赋.基于有限元汽车支架有限元设计[D].长春:吉林大学,2005.
[3]李楚琳.HyperWorks分析应用实例.机械工业出版社,2008.
导向臂支架 篇3
铲臂支架位于推土机的前部, 包括支架上盖和支架座, 其作用是用来支承铲臂上油缸的支座。推土机在工作过程中, 其铲臂应能绕其回转中心上下摆动。摆动的动力是由油缸提供的, 同时, 油缸和活塞杆本身也需做微幅摆动。活塞杆伸出端与铲臂铰接, 油缸的尾部与轴线固定的轴的一端对其进行固定。支架分上盖与支架座两部分, 如图1、图2所示。每一部分都有一与轴接触的准55mm半圆孔, 上盖与支架座通过螺钉与轴连接在一起。支架体上有轴线空间交叉成47°±15′的2个准43.5mm的叉孔, 叉孔与杆焊死, 杆的另外一端与一块钢板焊接在一起, 钢板与推土机底盘铆接, 最终把轴与底盘固定在一起。而对于扩2个准43.5mm的孔, 传统加工采用的是两次装夹, 分两次加工, 这样不但增加了装夹次数, 浪费工时, 也使得误差累计, 对于最后工件的精度有一定的影响。本文设计的夹具只用一次装夹就能完成两个孔的加工, 减少装夹次数的同时也对工件精度的提高提供了有效的保证。
2 工艺路线的确定要点
该支架材料应具备较高的强度与抗冲击能力, 毛坯件为铸件, 材料为铸钢ZG310-570, 公差等级为CT9级, 零件的外形尺寸及技术要求如图2、图3所示。由图可知该零件结构比较复杂, 加工工序较多, 在安排本零件工艺路线的过程中主要考虑以下几个方面:
(1) 底面B与准55mm孔一部分短孔为精基准, 同时底面B也是粗基准。根据“先面后孔”和“基面先行”的原则, 首先开始加工顶面A与底面B, 底面B与工艺凸台面C属同一平面, 装夹后一次加工。
(2) 支架加工表面中准55mm孔精度最高, 一切工序都是围绕保证该孔的精度来安排。根据“先主后次”的原则, 准55mm孔应安排在工艺路线的前面进行, 但不能一次加工到尺寸要求, 否则在后续工序中利用该表面定位时, 可能受到损伤。
(3) “先粗后精”是针对整个工艺路线而言的, 而并非只对某一表面而言。对于准55mm孔, 它是其他次要表面加工的基准, 必须先加工。加工时可将准55mm孔半精加工后作为统一的精基准来加工其他次要表面, 之后再对其精加工至图样要求。
(4) 正确进行工序的划分。在制订工艺路线时要经过充分的比较、论证, 选择其中最佳的一种方案。同样, 在选择加工方式及局部工艺路线时, 也要对不同方案进行分析, 确定最佳。
3 扩孔夹具设计
对于成批生产的零件, 大多采用专用机床夹具。在保证加工质量、操作方便、满足高效的前提下, 亦可部分采用通用夹具。本加工工艺规程中所用夹具均为专用夹具, 需专门设计、制造, 这里仅对扩准43.5mm孔的夹具进行分析设计。
3.1 定位基准选择
扩2个准43.5mm孔在加工工艺规程中为第六道工序, 由零件图可知:本夹具在扩孔时要确保2个准43.5mm孔轴线对准55mm孔轴线满足垂直度要求, 且轴线重合。2个准43.5mm孔轴线夹角为47°±15′, 两孔轴线关于主视图垂直中心线对称, 夹角在准55mm孔的轴线上。在定位基准面及定位方案上尽可能以准55mm孔为定位基准, 以免基准不重合带来加工误差。
3.2 切削力及夹紧力分析计算
查表[4]得切削力公式:式中ap=3mm, f=1mm/r, 查表得Kp= (σ/736) 0.75, σ=736MPa, Kp=1, 即, 所需夹紧力:由查表[5]得:WK=W·K, 安全系数K=K0K1K2K3K4K5K6
式中:K0～K6为各种因素的安全系数, 查表得:K=1.2×1.0×1.2×1.0×1.3×1.0×1.0=1.872, 当计算K<2.5时, 取K=2.5。
孔轴部分由M24螺母锁紧, 查表得知夹紧力为12840N
WK=W×K=12840×2.5=32100N
由上计算得WK垌FF, 因此采用该夹紧机构工作是可靠的。
3.3 误差分析与计算
该夹具以准55mm孔为基准, 要求保证2个准43.5mm孔轴线要求通过准55mm孔, 准43.5mm孔轴线对准55mm孔轴线的垂直度不大于0.2/100的定位误差。为满足工序的加工要求, 必须使工序中误差综合等于或小于该工序所规定的工序公差。
(1) 定位误差:△DW=TD+Td+△min
式中:TD-工件定位孔的孔径公差;Td-定位心轴的轴径公差;△min-工件定位孔与定位心轴的最小配合间隙。
(2) 夹紧安装误差, 对工序尺寸的影响均小。取△j·j=0
(3) 磨损造成的加工误差:△J·M通常不超过0.005mm
误差总和:△j+△w=0.108mm<0.3mm
从上分析可见, 所设计的夹具能满足零件的加工精度要求。
4 夹具工作原理
所设计扩孔夹具装配图如图3所示。工件以端面B、工艺凸台面C、准54.5mm孔及准43.5mm孔外缘为定位基准, 其中, 端面B、工艺凸台面C为第一定位基准, 限制3个自由度;准54.5mm孔为第二定位基准, 限制2个自由度;准43.5mm孔外缘为第三定位基准, 限制1个自由度, 属于完全定位。可换钻套22用于引导钻头。分度盘18和心轴16由螺钉连接在一起, 可绕夹具体上的心轴套中心旋转。分度盘与夹具体间的轴向间隙由轴上左端两圆螺母调整锁定。开口垫圈14和螺母15用于夹紧工件。当扩完一个孔后, 松开手柄6, 拔出手拉式定位器2的定位插销并转动90°, 使定位插销与定位衬套5暂时分离。然后转动分度盘带动工件转到另一定位衬套位置, 将手拉式定位器2的定位插销插入定位衬套5中, 使第二个孔的中心线处于竖直位置, 然后转动手柄6锁紧分度盘, 进行另一个孔的加工。图4为夹具三维模型。
1.夹具体2.手拉式定位器3, 11, 13, 21.螺钉4, 9.垫圈5.定位衬套6.手柄7.夹紧挡套8.圆螺母10.心轴套12.销14.开口垫圈15.螺母16.心轴17.长钻模板18.分度盘19.短钻模板20.挡销22.钻套
5结语
本文设计的扩口专用夹具, 通过一次装夹就能完成两个孔的加工, 与传统的两次装夹加工相比, 结构新颖, 且操作简单, 夹紧可靠, 既减少了装夹次数, 又减少了误差的累积, 对生产效率和加工精度的提高都提供了可靠保证, 对类似零件的加工具有很好的参考价值, 具有一定的推广意义。
摘要：铲臂支架位于推土机的前部, 包括支架上盖和支架座, 在工作过程中, 铲臂应能绕其回转中心上下摆动。油缸的尾部与轴线固定的轴铰接, 支架是在轴的一端对油缸进行固定。从零件的实际功用看, 支架的主要作用是连接与紧固。文中主要针对零件工艺路线的确定要点做了简要分析, 同时针对扩2个孔的夹具进行设计计算, 以确保其尺寸精度及技术要求。
关键词：铲臂支架,工艺路线要点,扩孔夹具设计,夹具原理
参考文献
[1]王栋.机械设计制造工艺学课程设计指导书[M].北京:机械工业出版, 2010.
[2]王先逵.机械加工工艺规程制定[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[3]王启平.机床夹具设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1996.
[4]杨叔子.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社, 2001.
导向臂支架 篇4
关键词：太阳能热发电,槽式支架,支撑臂
0 引言
太阳能热发电是新型可再生能源中的一种。它利用太阳能聚光集热原理, 镜场系统收集光能并通过导热介质的热交换, 将太阳能转换成热能, 导热介质通过蒸汽发生系统将热能传递给动力岛, 动力岛实现热能转换为电能的过程。太阳能热发电技术以集热方式的不同分为槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式4种技术路线。目前, 在4种技术路线中, 槽式太阳能热发电技术商业化程度最高, 其运行技术最为成熟。在槽式太阳能热发电电站中, 镜场系统作用是收集太阳能并通过换热介质将太阳能转换为热能, 其核心组件为集热管、反射镜、镜场支架。随着槽式太阳能热发电技术路线的推广, 集热管与反射镜的设计制造体系均已完善并形成模块化。但镜场支架由于设计理念的不同, 在国际上存在扭矩箱式、扭矩管式以及框架式3种主流结构, 同时也存在木制支架等前瞻性研究的结构。在这里, 仅对支架中支撑反射镜的支架支撑臂的两种结构形式进行讨论。从多个方面进行分析论证这两种结构形式的支撑臂优劣性。
槽式镜场支架的支撑臂作用是支撑反射镜, 是支架的重要部件。在镜场追日以及抗风运行时, 反射镜组受到的外力直接传导至支撑臂, 这时支撑臂的强度将影响反射镜组变形而导致的聚焦性能变化。故此支撑臂合理的强度设计是镜场系统聚焦性能的保证, 但同时支撑臂强度的变化又会导致整个支架的钢结构变化进而影响镜场支架的成本。槽式镜场支架的支撑臂有两种结构形式:一种是焊接式, 即由钢管拼焊组成, 另一种是冲压式, 由整块钢板按一定型线冲压而成。
1 两种支撑臂比较分析
1.1 性能指标
对于槽式镜场支架支撑臂性能指标的考量是基于一定的外部环境的影响, 例如镜场运行风速、保护风速等条件下, 支撑臂的强度是否能保证支架聚焦率在允许范围内变化。作为钢结构产品, 不论是焊接支撑臂还是冲压支撑臂都可以通过补强设计的方式提高强度, 焊接支撑臂则采用增加钢管壁厚或者调整结构形式的方式提高强度, 冲压支撑臂可以采用增加钢板厚度以及调整型线提高强度。在此便以同样的边界条件对两种支撑臂结构进行设计, 并达到同样的强度要求, 即实现相同的性能指标, 并在这个基础上进行后续的比较分析。
1.2 生产安装工艺
由于设计理念的不同, 这两种支撑臂的生产安装工艺有很大区别。原材料方面, 两者分别为标准方钢管与钢板, 材质相同, 生产工艺方面, 焊接支撑臂对部件定位、焊点质量要求较高, 否则极易偏离设计强度。并且对于50MW槽式太阳能热发电电站, 支架支撑臂数量达到10万对, 故此焊接支撑臂的生产需要相当完整的制造质量体系作为保证。冲压支撑臂在生产工艺方面能够实现一次成型, 生产周期短, 产品制造偏差小, 具有一定优势, 但冲压支撑臂需要大型冲压设备。冲压支撑臂对制造设备要求较高。安装工艺方面, 由于焊接支撑臂在生产过程中的偏差率高, 在安装时对累计偏差需要控制、调整, 安装难度较大。而冲压支撑臂在安装时由于偏差小, 安装难度要小于前者。
1.3 成本比较
对于两种结构形式的支撑臂成本比较主要分3个方面, 在相同的设计条件下对比如表1。
焊接支架支撑臂的产品成本投入较低, 但生产加工
安装工艺复杂。在大型槽式光热电站的建设中, 由于支架规模庞大, 其对建设成本影响很大。冲压支架支撑臂的产品成本投入以及最初设备投资大, 但对于建设成本影响小。
2 结论
通过对两种结构形式的槽式太阳能热发电镜场支架支撑臂的分析, 两种支撑臂均各有优缺点, 焊接支架支撑臂在小型槽式太阳能热发电电站中具有较大的成本优势, 冲压支架在大型电站中具有减少建设成本、缩短建设周期等的优势, 能够抵消在成本上的劣势。故此两种结构形式的产品分别适用于不同的槽式太阳能热发电项目。
参考文献
[1]孔祥兵, 陈小安, 吴国洋, 等.槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计[J].现代制造工程, 2013 (2) :121-126.