卓纳麟
(安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230601)
叉车由于承载要求及操控要求，使用前轮驱动、后轮转向的结构形式，转向桥作为叉车上重要的运动部件，需要承受整车的后方重力，在叉车空载时转向桥承载最大，随着叉车起重量的增加，转向桥承载减小，当叉车满载时转向桥承载最小，因此对转向桥的强度校核必不可少。
叉车上使用的转向桥机构包括多种结构类型，其中横置油缸转向桥由于结构简单、制造维护方便，成为了最广泛使用的类型[1,2]，它的驱动单元为一横向放置的油缸，执行单元为转向节，油缸的活塞杆和转向节臂通过连杆连接，相互之间使用销轴连接，形成转动副，整个转向桥构成了多连杆机构，通过控制油缸的活塞杆运动实现转向节的转向运动，这样的多连杆结构想要实现理想的运动关系，需要经过复杂的优化设计合理设计各个连杆的杆长[3,4]。
进行转向桥中各零件的校核时首先需要确定恶劣受力工况，然而由于转向桥需要进行转向动作，转向桥中与转向运动相关的零件的受力工况随转角不同而变化，通过理论分析难以找到它们的恶劣受力工况，多体动力学分析则能很好地解决这一问题，本文正是通过刚体动力学分析的方法确定它们的受力恶劣工况并实现分析校核。
1.1 有限元模型建立
为了反映模型中接触关系造成的影响，使用包含转向节、主销与转向油缸等主要承载件的装配体作为分析对象，同时由于考虑工况下转向油缸及连杆基本不受力，对转向节也没有作用力，因此对其忽略不作考虑。对于转向桥体等焊接件，通过ANSYS 中的Spaceclaim软件进行几何简化，并将装配体零件进行组合，成为一个零件，这样就不再需要建立绑定接触；
其他有装配关系的零件按照实际的接触状态来建立接触关系，本模型中其他所有接触都为可动连接，建立有摩擦接触，摩擦因数取0.1。
转向节、主销及主销座网格尺寸设置为8 mm，其它部分的网格尺寸设置为10 mm，采用适当的网格控制方法控制网格形状，最终得到的网格模型如图1所示，包含129 079个单元、221 671个节点。
图1 转向桥网格模型
分析考虑叉车空载时后桥受力工况，并取3倍动载系数[5]。在该工况下，后桥在与车架相连的轴座处受到来自车架的重力作用，自身还受到重力的作用，在轮胎处受到来自地面的支撑力作用。在模型中施加车架对转向桥轴座的作用力，使用远程力实现，力的作用点在轴座中心的连线上，且位于通过转向轮中心的竖直面内，力的大小近似设为考虑动载系数的叉车空载时的后桥负荷141 700 N，这样把转向桥自身的重力也包括在其中；
轮胎受到的地面支撑力则使用约束替代，分别在左、右转向节处建立远程约束，约束点为轮胎中心点，最终得到的转向桥装配体的加载约束模型如图2所示。
图2 转向桥加载约束模型
1.2 转向桥分析结果
进行求解分析，可以得到转向桥装配体的分析结果，转向桥体和转向节的应力分析结果如图3和图4所示。由图3和图4可以看出：转向桥体的最大应力位于外侧筋板的圆角位置，大小为269 MPa，该筋板材质使用Q345，因此安全系数为1.32；
转向节材质为45钢，屈服强度355 MPa，转向节在主销孔上方产生了最大应力414 MPa，该位置以压应力为主，不容易造成损坏，不做评价，在主销孔下方产生了第二大应力336 MPa，该位置以拉应力为主，安全系数为1.06，在轴头的圆角位置产生了大应力183 MPa，此处的安全系数为1.94。根据这些分析结果可以看出，在分析的工况下，转向桥和转向节强度满足要求。
图3 转向桥体应力分析结果
前文的分析工况下，由于转向油缸和连杆基本不受力，没有考虑到分析模型中，不能对它们进行强度校核。为了对它们进行强度校核，选择原地转向工况对它们进行分析校核，因为在该工况下它们会受较大的作用力，但是在整个转向过程中，不同位置受力大小和方向是不一样的，需要通过一定的方法确定最大受力的大小与方向，以及相应的转角状态。本文使用刚体动力学方法，对转向桥形成的多连杆结构进行建模分析，以获得最大载荷，再单独对各个零件单体进行分析并校核它们的强度。
2.1 刚体动力学模型建立
使用ANSYS Workbench中的Rigid Dynamics模块进行建模分析。使用转向桥静力学分析中简化得到的装配体模型作为分析对象，此次分析同时考虑转向油缸和连杆，将所有几何体都设置为刚体。模型中相对固定的连接位置都建立绑定接触，在销轴连接的两零件铰接位置建立铰链运动副，在油缸与缸筒之间建立活塞运动副[6]。将转向桥的初始状态调整到一侧最大转角位置，在两转向节与主销的铰接副上施加原地转向时轮胎所受到地面的摩擦力矩1119 700 Nmm(这个摩擦力矩通过理论公式计算得到)，在油缸与缸筒之间的活塞运动副上施加一速度60 mm/s。建好的模型用来模拟活塞杆带动转向节转向的运动过程，通过设置合适的速度和分析时间长度，使转向节刚好从一侧最大转角转到另一侧最大转角，建立好的刚体动力学模型如图5所示。
图5 转向桥刚体动力学模型
2.2 刚体动力学分析结果
在ANSYS Workbench的Rigid Dynamics模块中对模型进行分析求解，通过“Joint Probe”结果便可以得到一侧连杆的铰接孔受力大小随时间的变化曲线，如图6所示。图6中，纵坐标为力的大小，方向沿着连杆两端销轴孔连线方向。从图6可以看出，最大作用力产生于0.4 029 s时刻，大小为18 384 N，该时刻转向桥的转角状态如图7所示，根据作用力的分力可以计算得到力的方向。另一侧连杆的受力曲线与之呈对称规律。
图6 连杆受力曲线
图7 连杆受力最大时的转向桥转角状态
2.3 重要零件强度分析与结果
使用刚体动力学分析结果中的最大力18 384 N作为载荷条件，分别对油缸活塞杆、连杆与转向节单体进行加载分析，得到它们的应力分析结果，如图8、图9和图10所示。3个零件的材料都是45钢，屈服强度为355 MPa。由图8～图10可以看出：油缸活塞杆最大应力为217.4 MPa，安全系数为1.63；
连杆最大应力为136.2 MPa，安全系数为2.61；
转向节臂的最大应力为269.3 MPa，安全系数为1.32，它们的最大应力都产生于销轴孔的内侧，强度满足原地转向工况的使用要求。
图8 活塞杆应力分析结果 图9 连杆应力分析结果 图10 转向节臂应力分析结果
本文以ANSYS软件为分析工具，综合运用多种分析方法，实现了对某叉车转向桥较完整的分析校核。具体过程为：首先使用考虑接触关系的装配体模型通过静力学分析方法分析校核了转向桥体与转向节的强度；
然后使用刚体动力学方法建立转向桥中运动机构的动力学模型，分析得到了连杆的最大受力与最大受力时转向桥的转角状态；
最后再通过静力学分析方法校核了油缸活塞杆、连杆与转向节臂的强度。
对于包含运动机构的转向桥结构，单独使用静力学分析方法难以实现对所有重要零件的分析校核，因为与转向运动相关的零件的恶劣受力工况难以确定，结合刚体动力学分析方法则可以很好地解决这一问题，可以快速准确地得到机构运动零件的恶劣工况，进而对其进行分析校核。
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