重卡雙前橋轉向機構的強度分析

Jourmal of Mechanical Strength機?，斢?008,30(2):33~338●研究簡(jiǎn)報●重卡雙前橋轉向機構的強度分析STRENGTH ANALYSIS OF THE STEERING BOGIE LINKAGEASSEMBLY OF HEAVY-TRUCK石琴”張雷洪洋(1.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車(chē)工程學(xué)院,合肥2000)(2.江淮汽車(chē)集團,合肥2300)SHI Qin ZHANG Lei HONG Yang(1. School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)(2. Jianghuai Automobile Co, Ltd, Hefei 300022,China摘要建立重型卡車(chē)雙前橋轉向機構的力學(xué)分析模型。利用轉向縱拉桿的結構特點(diǎn)和受力特點(diǎn),分析作用在方向盤(pán)上的主動(dòng)力矩和轉向縱拉桿所受外力之間的關(guān)系。建立重型卡車(chē)雙前橋主要部件的有限元分析模型,用 ANSYS軟件對主要部件進(jìn)行強度分析和計算并通過(guò)相關(guān)的電測試驗,對有限元計算結果進(jìn)行試驗驗證。為復雜機構的強度分析提供技術(shù)基礎。關(guān)鍵詞重型卡車(chē)強度分析有限元法雙前橋轉向機構中圖分類(lèi)號U270.2TB5Abstract The primary goal of this research is to develop the method of analysing the strength of the steering bogie linkage assem-bly of heavy-truck. The method used in this study is to establish a force analysis model of heavy truck. According to steering systemstructure and forces features, the relationship between the active torque acted at the steering wheel and the exterior forces acted at thesteering longitudinal drag links was established. Theoretic analysis of the main components of the steering bogie linkage assembly wascarried out by means of ANSYS software, and the comwith each other. It is shown that the strength of the components is enoughKey words Heavy-truck; Strength analysis; Finite element method; Steering bogie linkage assemblyresponding hor SHI Qin, E-mail shiging 7081@sohu, aom, Tel +86-551-2901338, Fax:+86-551-2901750Manuscript received 20050531, in revised form 200606121引言2重卡雙前橋轉向機構的工作原理隨著(zhù)公路運輸的發(fā)展,中國公路的發(fā)展模式正在重卡的雙前橋轉向機構簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1在轉向過(guò)程從低噸位、低完好率、低速的中型卡車(chē)向高噸位、高完中,來(lái)自于方向盤(pán)的轉動(dòng)位移經(jīng)過(guò)轉向器傳遞到雙前好率、高速的重型卡車(chē)發(fā)展,運輸市場(chǎng)對重型卡車(chē)的需橋轉向機構,具體的傳遞過(guò)程見(jiàn)圖2。求急劇增加。重卡的雙前橋轉向機構比以往的單橋轉向梯形機構要復雜得多作為轉向系總成的重要組成3轉向機構的靜力學(xué)分析部件轉向機構的各部件在汽車(chē)的轉向操作過(guò)程中承3.1轉向機構主動(dòng)力的確定受著(zhù)復雜的空間載荷的作用,其結構強度計算和分析作用在方向盤(pán)上的主動(dòng)力矩,通過(guò)轉向器和轉向是設計過(guò)程中一個(gè)不可缺少的過(guò)程16。本文分析重卡搖臂施加在轉向縱拉桿上,通過(guò)轉向縱拉桿向后面的的雙前橋轉向機構力的傳遞特性,建立主要部件的有部件傳遞。在進(jìn)行強度分析時(shí),本文的研究對象包括轉限元模型,應用大型有限元分析軟件 ANSYS對主要向縱拉桿、過(guò)渡搖臂(前、后)、轉向節臂(第一、二橋部件的結構強度進(jìn)行分析,并用電測法對計算結果進(jìn)搖臂直拉桿、直拉桿(前后)、橫拉桿(第一、二橋)在內行試驗驗證。通過(guò)計算分析與測試,為進(jìn)一步確定轉的空間桿系結構將轉向縱拉桿傳遞的力F1作為主動(dòng)向系統各個(gè)部件的設計合理性建立準確而快捷的途力。TH中國煤化工CNMHG主動(dòng)力矩轉向器·20050531收到初稿,200612收到修改稿石琴,女,163年1月生,安徽省蚌埠市人,漢族。合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車(chē)工程學(xué)院教授博士,研究方向為汽車(chē)現代設計方法的研究。機械強度2008年前過(guò)渡搖臂前轉向節臂將F2和F3作為主動(dòng)力分別加在第一直拉桿和聯(lián)動(dòng)桿ront dropFront track arm搖臂直拉桿上,運用同樣的方法可以求出其他相關(guān)桿件上的反作Draglink of arms用力,把這些反作用力作為主動(dòng)力加在相關(guān)桿件上。這方向盤(pán)后過(guò)渡搖臂樣便確定了相關(guān)從動(dòng)桿件的力。Rear drop arm轉向直控桿4轉向機構主要部件的有限元計算Steering draglink4.1單元的選取后轉向節臂前直拉桿Rear track armFront dragline前橫拉桿Front track rod lever后直拉桿后橫拉桿Rear draglink Rear track rod lever圖1雙前橋轉向機構簡(jiǎn)圖Fig. I Steering bogie linkage assembly的力傳動(dòng)比及轉向搖臂的結構等因素有關(guān)。由于直拉圖3直拉桿示意圖桿可近似為二力桿件,并且截面形狀規則(見(jiàn)圖3a)通過(guò)應力測試的方法得到其中性面上的正應力(見(jiàn)圖3b),F1與a的關(guān)系式F(1)棱形選項式中a—實(shí)測應力,Nmm2The optiong of rhombusS——橫截面積,mm2M N, O.32從動(dòng)桿件力的確定獲得轉向縱拉桿傳遞的力F1后,把F1模擬實(shí)際表面坐標系受力情況加載在過(guò)渡搖臂上;加載求解后,在 ANSYS節點(diǎn)坐標系The face coordinate四面體選項—不推薦使用The option of tetrahedron--not中選定過(guò)渡搖臂上連接第一直拉桿和聯(lián)動(dòng)桿的所有節The node coordinaterecommend圖4 Solid45單元點(diǎn),求解出其作用在過(guò)渡搖臂上的反作用力F2和F3Fig 4 Element of Solid45215-許1轉向油灌2.流量控制閥3.轉向油泵4.安全閥門(mén)5單項閥6轉向盤(pán)7機械轉向器8轉向動(dòng)力缸9轉向控制閥10.轉向搖臂1轉向器直拉桿12第一橋搖臂13聯(lián)動(dòng)桿14第一橋直拉桿15第二橋搖臂16轉向動(dòng)力缸17第二橋古Steering oil tank 2. Flow control valve 3. Power steering pump 4中國煤化工 wheelCNMHGEdraglink12. Primary axle arm 13. Interlocking bar 14. PrimaryIS. The second16. Power cylinder 17. The second drag rod 18. Axle spring圖2雙前橋轉向機構運動(dòng)傳遞示意圖Fig2 Transmission line of steering bogie linkage assembly第30卷第2期石琴等:重卡雙前橋轉向機構的強度分析搖臂拉桿總成及局部放大圖Arm assembly andits enlarge part轉向直控桿及其局部放大圖Steering dragline前直拉桿及其局部放大圖前過(guò)濾搖臂Front drop arm后橫拉桿圖5雙前橋轉向機構主要部件有限元模型衰1重卡雙前橋部件材料特性參數Tab.1 The material characteristic of the steering bogle linkage assembly of heavy-truck要力學(xué)性能零件名稱(chēng)The main mechanical characteristics強度極限彈性模量許用應力泊松比Strength limit a\/MPa Elastic modulus E/GPa Allowable stress d, / MPa Poissons ratio A轉向直拉桿 Steering draglink轉向節臂Track arm橫拉桿搖臂直拉桿 Draglink of arms過(guò)渡搖臂 Drop arm直拉桿鋼管 Steel tube0根據有限元分析的基本理論,單元類(lèi)型選擇的慮雙前橋的結構和受力特點(diǎn)選取三維8節點(diǎn)單元921÷2?恰當與否,與計算的精度和速度有密切關(guān)系。綜合考一工況3( ANSYS中 Solid45單元)。 Solid45單元為三維固體結s×10構單元由8個(gè)節點(diǎn)組成。在單元每一個(gè)節點(diǎn)上有三特一5個(gè)自由度,即分別沿著(zhù)三個(gè)坐標軸方向。此單元可以睪0進(jìn)行塑性、蠕變、應力硬化大變形以及大應變分析方向盤(pán)轉角/(°)關(guān)于 Solid45單元的幾何形狀、節點(diǎn)方向以及坐標軸The rotating angle of steering wheel/()圖6方向盤(pán)轉角和F1的關(guān)系取向如圖5所示。Fig. 6 The relationship between the rotating angle4.2有限元模型的建立of steering wheel and Fr為了提高建模精度,主要部件采用UG軟件建模并作一定的簡(jiǎn)化(對接頭螺冒等在有限元分析中作用分化成有限元模型模型見(jiàn)圖7a-圖7e較小或可以用相關(guān) ANSYS命令代替的部件進(jìn)行簡(jiǎn)4.3中國煤化工化),UG軟件具有多種文件傳輸格式。本文采用CNMHG。PARASOLID文件作為傳輸圖形文件的中間格式,選擇44載荷工況UG與 ANSYS的低端接口9.0UC120,得到相對應僅當汽車(chē)在跨越凸臺的同時(shí)進(jìn)行轉向時(shí),機構承的文本文件,然后將該文件導人 ANSYS后進(jìn)行網(wǎng)格劃受著(zhù)極值載荷,同時(shí)結構的破壞大多發(fā)生于一般載荷336機械強度NODAL SOLUTIONNODAL SOLUTIONSTEPSUBlSUB-TIME-tSX (AVGMX=0010907001090SMN=0.501×100.50lX10sMX=0.627×100.627X10-0501×109-025×10°3367320.251×100.502×10°01×109-0.25×10°367320251×10°0.502×10°0376×1090125×10°0.126×10°0.376×10°0627×10°0.376×109-0125×10°0.126×10°0.376×10°0627×10°NODAL SOLUTIONNODAL SOLUTIONSTEPaSTEAlSUB-ITIME=TIME=I(AVG)(AVGMX=0.003879IM=0.131×104SMN=0.170x10SMN=0.199XSMX=0.290X-0.170×1090.765×1080.165×1030.110×10°0203×09×10°0904×1070183×100127×100235×10523×10°-0300×1030630×10°0.156×10°0.249×10°-0145×102-0360×1030.727×1030.181×1030290×103圖7雙前橋轉向機構主要部件應力云圖Fig. 7 The stress contours of primary steering bogie linkage assembl2522924289102728293影14圖8靜強度電測應變計布置示意圖Fig 8 The location of the strain meters國煤化工NMHG圖9部分電測應變計(花)貼片現場(chǎng)試驗圖Fig 9 On-the-spot photos of the strain meters第30卷第2期石琴等:重卡雙前橋轉向機構的強度分析337接應變計strain gauge重型卡車(chē)雙前橋電橋盒V3靜態(tài)變儀數據采集系統vc編程處理器7V13 staticbate acquisition Write VC programof heavytrucktrain instrumentsystemto deal with dates接溫度補償片Connect temperature compensation gauge圖10試驗系統示意圖和試驗儀器Fig 10 The system of the testing豪2典型位置節點(diǎn)主應力有限元計算及試驗結果Tab2 Calculation and test results of main stress on typical nodes118MPa,安全系數n==2.6,故桿件在該靜態(tài)載荷作用下的強度滿(mǎn)足設計要求。應變計編號理論值電測值誤差The serial number5試驗分析of strain gauge為了驗證理論模型及有限元計算的精度,對該雙16前橋進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電測試驗51測量點(diǎn)的確定根據理論計算的結果,選定36個(gè)測量點(diǎn),考慮到前、后過(guò)渡搖臂在載荷作用下處于平面應力狀態(tài),并且l12.18主應力的方向未知,因而在臂體上布置應變花;同樣左、右梯形臂上的34點(diǎn)處也布置了應變花。圖9a、圖9b為布點(diǎn)位置示意圖;圖10a、圖10b為部分電測應變計(花)貼片現場(chǎng)試驗圖。l13.4752測試系統測試系統見(jiàn)圖11試驗前對雙前橋轉向機構相關(guān)7.7部件進(jìn)行分析、確定電測應變計的貼片位置然后在相122.78關(guān)位置貼上應變計,到試驗場(chǎng)地后將對應的線(xiàn)接到儀器(b)上,加上相關(guān)載荷并采集需要的數據。下的疲勞破壞,僅對以下3種工況進(jìn)行分析,通過(guò)引入53試驗結果分析安全系數,對結構進(jìn)行強度校核。試驗直接測得的為非主應變方向的應變值,根據工況1空載,原地向右打方向盤(pán)下式換算成主應力工況2滿(mǎn)載,向右打方向盤(pán)工況3滿(mǎn)載,以10km/h車(chē)速行駛,向右打方向+E2d1,2=1-g-1+g通過(guò)試驗測試,3種工況下轉向機構的受力方向盤(pán)轉角和F的關(guān)系如圖4所示最大載荷發(fā)生在工況式中E—材料的彈性模量3,即滿(mǎn)載下以10km/h車(chē)速行駛轉向,方向盤(pán)轉過(guò)720—材料的泊松比時(shí)F1=20.94kN在確定了F1后按圖2所示的過(guò)程直角應變計(0°、120°、249)位置的應變中國煤化工對各主要部件進(jìn)行強度分析。CNMHG分析4.5結果分析工況3部分有限元計算及試驗結果見(jiàn)表2通過(guò)比主要部件有限元計算結果見(jiàn)圖8a-圖8d,最大較和分析可知,模型上關(guān)鍵點(diǎn)的理論計算結果與試驗應力點(diǎn)發(fā)生在前直拉桿的前端(見(jiàn)圖8b),最大應力為結果相對誤差為0.46%~15%,一般在10%左右,個(gè)338機械強度2008年別位置接近15%。這是因為理論計算建模時(shí),為了降Transmission Technology, 2004, 18(1): 467(In Chinese)低計算成本和建模難度對模型作了一些必要的簡(jiǎn)化,(2]張曉云,金先龍,葛龍面向國家標準的汽車(chē)轉向機構安全性這些簡(jiǎn)化帶來(lái)一定的計算誤差,但整體的趨勢是一致仿真[門(mén).系統仿真學(xué)報,200,15(2):28230ZHANG Xiao Yun, JIN XianLong, GE Long. The motor tuming organiza的,在工程計算允許范圍內,可以認為理論模型正確tion secure simulation face national standard [J]. system SimulationJour理論計算結果可信。nl,2003,15(2):28-20 In Chinese[3]施康.重型設備運載車(chē)轉向機構的設計與計算[門(mén)].汽車(chē)技術(shù),6結論200,12:79本文利用轉向縱拉桿的結構特點(diǎn)和受力特點(diǎn),分SHI Kang. The design and computation o heavy equipment delivery vehi-le rotation gear[J]. Automobile Technology, 2000, 12: 7-9( In Chi-析作用在方向盤(pán)上的主動(dòng)力矩和轉向縱拉桿所受外力之間的關(guān)系。研究發(fā)現,兩者之間的關(guān)系不僅與轉向器[4]蔣崇賢,何明輝專(zhuān)用汽車(chē)設計[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版杜的力傳遞比及轉向系的結構有關(guān),而且與汽車(chē)的行駛194;3245狀態(tài)有關(guān)。在對轉向機構進(jìn)行強度計算時(shí),采取電測與JIANG ChongXian, HE Minghui. The special-purpoee automobile design理論分析相結合的辦法,確定作用在重型卡車(chē)雙前橋[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 1994: 32-45(In Chines轉向機構的主要部件上的載荷是行之有效的。但是當[5]屈求真.三軸汽車(chē)轉向系統結構設計分析[].汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā),1997,6:2426汽車(chē)在跨越凸臺的同時(shí)進(jìn)行轉向時(shí),機構承受著(zhù)更大QU Qiuthen. The tuming system structural design analysis of the three ax-的極值載荷,同時(shí)結構的破壞大多發(fā)生于一般載荷下le motor[ J]. The Automobile Studies and Develops, 1997, 6: 24-26(In的疲勞破壞,這兩種工況尚需要通過(guò)進(jìn)一步的試驗和仿真分析,有待于進(jìn)一步的研究。[6]龔培康.汽車(chē)拖拉機有限元法基礎[M].北京:機械工業(yè)出版社參考文獻( ReferencCONG Peikang. The finite element method foundation o truck[M].Bei-jing: Mechanical Industry PreMe, 1995: 23-40(In Chinese[黃宏成夏祥洪張偉汽車(chē)轉向機構多自由度運動(dòng)學(xué)模型[].[]劉濤,精通 ANSYS[M]北京:清華大學(xué)出版社,200:347傳動(dòng)技術(shù),2004,18(1):4647,LU Tao. Skilling in ANSYS[M]. Beijing: Tsinghua University Prese2003:3-47( In Chinfreedom kinematics model o the great motor tuning organization[ J].The中國煤化工CNMHG