某自卸车车厢锁钩机构故障分析与改进设计

杨珍 余伟 王以文

摘 要：通过市场反馈对自卸车车厢后板锁钩机构进行故障初步判断，确定了车厢后板锁钩机构在实际工作中的使用工况，利用有限元分析软件Hyper Mesh 2017对其进行前处理网格划分和边界条件的施加，并采用软件自带求解器OptiStruct对车厢锁钩机构进行分析求解，计算常规工况与极限工况下车厢锁钩机构的最大位移和应力分布。通过结果分析，最终确定了故障的真实原因，并对改进后的方案进行仿真分析，验证了改进方案的合理性。研究结果显示： 车厢后板锁钩机构故障的主要原因是用户在车辆满载时没有按要求对车厢后板边锁钩进行锁止导致，由于此类现象比较常见，为了从根源上解决此问题，车厢后板锁钩机构在强度校核时加入了极限工况。市场验证表明，此方法对解决用户因操作不规范导致的故障问题切实有效。

关键词：有限元分析 车厢锁钩机构 极限工况 自由度 最大位移 应力分布

1 前言

自卸车车厢后板与底板和边板通过锁钩进行固定连接，该锁钩机构即保证了车辆在满载正常行驶时车厢整体的连接紧固性，同时又实现了车厢后板在举升过程中能顺利打开方便卸货的作用。

针对某自卸车车厢后板锁钩机构在使用过程中锁钩连接板出现较大塑性变形，导致车辆满载时车厢后板与底板之间间隙过大，造成货物泄漏，根据市场故障反馈，用户在使用过程时常出现车厢满载时边锁钩没有手动锁止现象，为了排查故障原因是因为边锁钩没有手动锁止造成还是锁钩机构结构强度设计不足导致，现对车厢后板锁钩机构进行有限元模拟分析，通过对常规工况和极限工况下车厢锁钩机构的位移变化和应力分布进行分析比较，确定故障产生的主要原因，并通过合理的设计改进消除故障。

2 车厢后板锁钩机构有限元模型

某自卸车车厢后板锁钩机构有限元模型，模型主要包含：左侧边板局部、右侧边板局部、底板局部、后板总成、锁钩、手动边锁钩、锁链等。货箱整体内部尺寸6200×2300×1500mm，锁钩材料为20Mn，锁钩连接板及货箱内测板材料为610L，其他材料为Q235B。

对于薄板类零件采用尺寸为10mm的壳单元进行离散，非薄板类零件优先采用六面体网格离散，离散较困难的，非关注件采用一阶四面体网格划分，重点关注件采用二阶四面体网格划分。锁链采用beam单元模拟，与锁钩转轴连接处释放Y向转动自由度，车厢后板上端翻转支座转轴处释放Y向转动自由度，各零件之间的焊接关系按照实际要求采用rbe3+penta+rbe3单元模拟，锁钩与后板下边框采用GAP单元模拟接触关系。模型单元总数为301578，其中三角形单元数量为362，占总单元数的0.12%。

3 车厢后板锁钩机构强度分析

3.1 工况定义

在自卸车车厢锁钩机构设计时， 需要考虑锁钩机构在极限工况下的位移量和强度， 要保证车厢锁钩机构在使用过程中不能发生永久变形并且总变形不宜过大。为排查自卸车车厢锁钩连接板故障原因，需要进行以下工况分析：

工况1（常规工况）：自卸车在坡度为16.7°的路面上满载35吨行驶，车厢后板边锁钩处于锁止状态。约束货箱端部截面处123456自由度和锁链端部123自由度。

工况2（极限工况）：自卸车在坡度为16.7°的路面上满载35吨行驶，车厢后板边锁钩处于打开状态。约束货箱端部截面处123456自由度和锁链端部123自由度。

对于工况1和工况2中的车厢载荷，利用受力平衡分析进行提取。将货物简化为一个均质长方块，放置在16.7°的斜坡上（此角度为故障车常出现的工作最大坡度），假设货物与底板之间无摩擦力，进行如下受力分析，求出货物对后板的作用力Fn2和货物对底板的作用力Fn1，再转化为货物对货箱内板的压强作为施加载荷。

3.2 结果分析

工况1（常规工况）的计算结果如图1所示，边锁钩锁止的情况下，应力集中在锁钩与连接板处，最大等效应力为385.9MPa，锁钩最大位移为8.6mm。

工况2（极限工况）的计算结果如图2所示，该工况载荷加载方式和工况1相同，不同之处在于边锁钩处于打开状态。应力集中在锁钩与连接板处，最大等效应力为672.9MPa，锁钩最大位移为14.8mm。

两种工况下车厢后板锁钩机构的受力和变形趋势详见表1，可以更加直观对两种工况受力趋势做详细的对比分析。

由上述分析结果可知，工况1下锁钩连接板的最大应力小于其材料的屈服强度，安全系数1.29，满足强度要求，不会发生塑性变形;工况2下锁钩连接板的最大应力明显超过其材料的屈服强度，安全系数只有0.74，不满足强度要求，会发生塑性变形，且工况2锁钩最大位移明显大于工况1，由此可见车厢锁钩连接板出现较大塑性变形的主要原因很是由于车厢满载时边锁钩没有锁止导致中间锁钩机构受力偏大，在长时间的累积下形成了较大永久变形，使车厢后板与底板间隙逐渐增大，出现货物泄漏。为了解决用户使用时没有锁止边锁钩造成的故障问题，现考虑在边锁钩没有锁止的条件下，对锁钩连接板局部进行改进设计。

4 改进设计

4.1 改进后模型

原始锁钩连接板为单L板结构，抵抗因锁钩变形产生Y向扭矩的能力不足，现改进后在锁钩连接板内部增加一个U型槽板，厚度为5mm，与周边件进行焊接相连，改进前后结构对比如图3所示。

4.2 改进后结果分析

改进后，按照工况2的边界工况进行加载，计算结果如图4所示。应力集中部位发生改变，主要集中在L板背面上，最大等效应力为419.7 MPa，锁钩最大位移为11.1mm。

由结果可知，改进后锁钩连接板的最大应力小于其材料的屈服强度500Mpa，安全系数1.19，满足强度要求，不会产生塑性变形。锁钩最大位移相比工况2减小了25%。同时改进结构已实施到实车当中，目前市场验证未再反馈相关问题，很好的弥补了用户因操作不规范导致的过大塑性变形问题。市场验证结果也证明了该结构改进的可行性。

5 结论

通过有限元分析，对自卸车车厢后板锁钩连接板强度不足问题进行了故障再现，分析结果与故障位置比较吻合。同时结合市场反馈，找到了故障产生的真实原因，即用户在车辆满载时没有对车厢后板边锁钩进行锁止导致。由于此类现象比较常见，为了从根源上解决此问题，在锁钩连接板强度设计时加入了极限工况，市场验证表明，此方法对解决用户因操作不规范导致的故障问题切实有效，大大降低了相关问题的故障率反馈。

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