重卡双前桥转向机构的强度分析

Jourmal of Mechanical Strength机栈瑪友2008,30(2):33~338●研究简报●重卡双前桥转向机构的强度分析STRENGTH ANALYSIS OF THE STEERING BOGIE LINKAGEASSEMBLY OF HEAVY-TRUCK石琴”张雷洪洋(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥2000)(2.江淮汽车集团,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摘要建立重型卡车双前桥转向机构的力学分析模型。利用转向纵拉杆的结构特点和受力特点,分析作用在方向盘上的主动力矩和转向纵拉杆所受外力之间的关系。建立重型卡车双前桥主要部件的有限元分析模型,用 ANSYS软件对主要部件进行强度分析和计算并通过相关的电测试验,对有限元计算结果进行试验验证。为复杂机构的强度分析提供技术基础。关键词重型卡车强度分析有限元法双前桥转向机构中图分类号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重卡双前桥转向机构的工作原理随着公路运输的发展,中国公路的发展模式正在重卡的双前桥转向机构简图见图1在转向过程从低吨位、低完好率、低速的中型卡车向高吨位、高完中,来自于方向盘的转动位移经过转向器传递到双前好率、高速的重型卡车发展,运输市场对重型卡车的需桥转向机构,具体的传递过程见图2。求急剧增加。重卡的双前桥转向机构比以往的单桥转向梯形机构要复杂得多作为转向系总成的重要组成3转向机构的静力学分析部件转向机构的各部件在汽车的转向操作过程中承3.1转向机构主动力的确定受着复杂的空间载荷的作用,其结构强度计算和分析作用在方向盘上的主动力矩,通过转向器和转向是设计过程中一个不可缺少的过程16。本文分析重卡摇臂施加在转向纵拉杆上,通过转向纵拉杆向后面的的双前桥转向机构力的传递特性,建立主要部件的有部件传递。在进行强度分析时,本文的研究对象包括转限元模型,应用大型有限元分析软件 ANSYS对主要向纵拉杆、过渡摇臂(前、后)、转向节臂(第一、二桥部件的结构强度进行分析,并用电测法对计算结果进摇臂直拉杆、直拉杆(前后)、横拉杆(第一、二桥)在内行试验验证。通过计算分析与测试,为进一步确定转的空间杆系结构将转向纵拉杆传递的力F1作为主动向系统各个部件的设计合理性建立准确而快捷的途力。TH中国煤化工CNMHG主动力矩转向器·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,汉族。合肥工业大学机械与汽车工程学院教授博士,研究方向为汽车现代设计方法的研究。机械强度2008年前过渡摇臂前转向节臂将F2和F3作为主动力分别加在第一直拉杆和联动杆ront dropFront track arm摇臂直拉杆上,运用同样的方法可以求出其他相关杆件上的反作Draglink of arms用力,把这些反作用力作为主动力加在相关杆件上。这方向盘后过渡摇臂样便确定了相关从动杆件的力。Rear drop arm转向直控杆4转向机构主要部件的有限元计算Steering draglink4.1单元的选取后转向节臂前直拉杆Rear track armFront dragline前横拉杆Front track rod lever后直拉杆后横拉杆Rear draglink Rear track rod lever图1双前桥转向机构简图Fig. I Steering bogie linkage assembly的力传动比及转向摇臂的结构等因素有关。由于直拉图3直拉杆示意图杆可近似为二力杆件,并且截面形状规则(见图3a)通过应力测试的方法得到其中性面上的正应力(见图3b),F1与a的关系式F(1)棱形选项式中a—实测应力,Nmm2The optiong of rhombusS——横截面积,mm2M N, O.32从动杆件力的确定获得转向纵拉杆传递的力F1后,把F1模拟实际表面坐标系受力情况加载在过渡摇臂上;加载求解后,在 ANSYS节点坐标系The face coordinate四面体选项—不推荐使用The option of tetrahedron--not中选定过渡摇臂上连接第一直拉杆和联动杆的所有节The node coordinaterecommend图4 Solid45单元点,求解出其作用在过渡摇臂上的反作用力F2和F3Fig 4 Element of Solid45215-許1转向油灌2.流量控制阀3.转向油泵4.安全阀门5单项阀6转向盘7机械转向器8转向动力缸9转向控制阀10.转向摇臂1转向器直拉杆12第一桥摇臂13联动杆14第一桥直拉杆15第二桥摇臂16转向动力缸17第二桥古Steering oil tank 2. Flow control valve 3. Power steering pump 4中国煤化工 wheelCNMHGEdraglink12. Primary axle arm 13. Interlocking bar 14. PrimaryIS. The second16. Power cylinder 17. The second drag rod 18. Axle spring图2双前桥转向机构运动传递示意图Fig2 Transmission line of steering bogie linkage assembly第30卷第2期石琴等:重卡双前桥转向机构的强度分析摇臂拉杆总成及局部放大图Arm assembly andits enlarge part转向直控杆及其局部放大图Steering dragline前直拉杆及其局部放大图前过滤摇臂Front drop arm后横拉杆图5双前桥转向机构主要部件有限元模型衰1重卡双前桥部件材料特性参数Tab.1 The material characteristic of the steering bogle linkage assembly of heavy-truck要力学性能零件名称The main mechanical characteristics强度极限弹性模量许用应力泊松比Strength limit a\/MPa Elastic modulus E/GPa Allowable stress d, / MPa Poissons ratio A转向直拉杆 Steering draglink转向节臂Track arm横拉杆摇臂直拉杆 Draglink of arms过渡摇臂 Drop arm直拉杆钢管 Steel tube0根据有限元分析的基本理论,单元类型选择的虑双前桥的结构和受力特点选取三维8节点单元921÷2?恰当与否,与计算的精度和速度有密切关系。综合考一工况3( ANSYS中 Solid45单元)。 Solid45单元为三维固体结s×10构单元由8个节点组成。在单元每一个节点上有三特一5个自由度,即分别沿着三个坐标轴方向。此单元可以睾0进行塑性、蠕变、应力硬化大变形以及大应变分析方向盘转角/(°)关于 Solid45单元的几何形状、节点方向以及坐标轴The rotating angle of steering wheel/()图6方向盘转角和F1的关系取向如图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为了提高建模精度,主要部件采用UG软件建模并作一定的简化(对接头螺冒等在有限元分析中作用分化成有限元模型模型见图7a-图7e较小或可以用相关 ANSYS命令代替的部件进行简4.3中国煤化工化),UG软件具有多种文件传输格式。本文采用CNMHG。PARASOLID文件作为传输图形文件的中间格式,选择44载荷工况UG与 ANSYS的低端接口9.0UC120,得到相对应仅当汽车在跨越凸台的同时进行转向时,机构承的文本文件,然后将该文件导人 ANSYS后进行网格划受着极值载荷,同时结构的破坏大多发生于一般载荷336机械强度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图7双前桥转向机构主要部件应力云图Fig. 7 The stress contours of primary steering bogie linkage assembl2522924289102728293影14图8静强度电测应变计布置示意图Fig 8 The location of the strain meters国煤化工NMHG图9部分电测应变计(花)贴片现场试验图Fig 9 On-the-spot photos of the strain meters第30卷第2期石琴等:重卡双前桥转向机构的强度分析337接应变计strain gauge重型卡车双前桥电桥盒V3静态变仪数据采集系统vc编程处理器7V13 staticbate acquisition Write VC programof heavytrucktrain instrumentsystemto deal with dates接温度补偿片Connect temperature compensation gauge图10试验系统示意图和试验仪器Fig 10 The system of the testing豪2典型位置节点主应力有限元计算及试验结果Tab2 Calculation and test results of main stress on typical nodes118MPa,安全系数n==2.6,故杆件在该静态载荷作用下的强度满足设计要求。应变计编号理论值电测值误差The serial number5试验分析of strain gauge为了验证理论模型及有限元计算的精度,对该双16前桥进行静态与动态电测试验51测量点的确定根据理论计算的结果,选定36个测量点,考虑到前、后过渡摇臂在载荷作用下处于平面应力状态,并且l12.18主应力的方向未知,因而在臂体上布置应变花;同样左、右梯形臂上的34点处也布置了应变花。图9a、图9b为布点位置示意图;图10a、图10b为部分电测应变计(花)贴片现场试验图。l13.4752测试系统测试系统见图11试验前对双前桥转向机构相关7.7部件进行分析、确定电测应变计的贴片位置然后在相122.78关位置贴上应变计,到试验场地后将对应的线接到仪器(b)上,加上相关载荷并采集需要的数据。下的疲劳破坏,仅对以下3种工况进行分析,通过引入53试验结果分析安全系数,对结构进行强度校核。试验直接测得的为非主应变方向的应变值,根据工况1空载,原地向右打方向盘下式换算成主应力工况2满载,向右打方向盘工况3满载,以10km/h车速行驶,向右打方向+E2d1,2=1-g-1+g通过试验测试,3种工况下转向机构的受力方向盘转角和F的关系如图4所示最大载荷发生在工况式中E—材料的弹性模量3,即满载下以10km/h车速行驶转向,方向盘转过720—材料的泊松比时F1=20.94kN在确定了F1后按图2所示的过程直角应变计(0°、120°、249)位置的应变中国煤化工对各主要部件进行强度分析。CNMHG分析4.5结果分析工况3部分有限元计算及试验结果见表2通过比主要部件有限元计算结果见图8a-图8d,最大较和分析可知,模型上关键点的理论计算结果与试验应力点发生在前直拉杆的前端(见图8b),最大应力为结果相对误差为0.46%~15%,一般在10%左右,个338机械强度2008年别位置接近15%。这是因为理论计算建模时,为了降Transmission Technology, 2004, 18(1): 467(In Chinese)低计算成本和建模难度对模型作了一些必要的简化,(2]张晓云,金先龙,葛龙面向国家标准的汽车转向机构安全性这些简化带来一定的计算误差,但整体的趋势是一致仿真[门.系统仿真学报,200,15(2):28230ZHANG Xiao Yun, JIN XianLong, GE Long. The motor tuming organiza的,在工程计算允许范围内,可以认为理论模型正确tion secure simulation face national standard [J]. system SimulationJour理论计算结果可信。nl,2003,15(2):28-20 In Chinese[3]施康.重型设备运载车转向机构的设计与计算[门].汽车技术,6结论200,12:79本文利用转向纵拉杆的结构特点和受力特点,分SHI Kang. The design and computation o heavy equipment delivery vehi-le rotation gear[J]. Automobile Technology, 2000, 12: 7-9( In Chi-析作用在方向盘上的主动力矩和转向纵拉杆所受外力之间的关系。研究发现,两者之间的关系不仅与转向器[4]蒋崇贤,何明辉专用汽车设计[M].武汉:武汉工业大学出版杜的力传递比及转向系的结构有关,而且与汽车的行驶194;3245状态有关。在对转向机构进行强度计算时,采取电测与JIANG ChongXian, HE Minghui. The special-purpoee automobile design理论分析相结合的办法,确定作用在重型卡车双前桥[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 1994: 32-45(In Chines转向机构的主要部件上的载荷是行之有效的。但是当[5]屈求真.三轴汽车转向系统结构设计分析[].汽车研究与开发,1997,6:2426汽车在跨越凸台的同时进行转向时,机构承受着更大QU Qiuthen. The tuming system structural design analysis of the three ax-的极值载荷,同时结构的破坏大多发生于一般载荷下le motor[ J]. The Automobile Studies and Develops, 1997, 6: 24-26(In的疲劳破坏,这两种工况尚需要通过进一步的试验和仿真分析,有待于进一步的研究。[6]龚培康.汽车拖拉机有限元法基础[M].北京:机械工业出版社参考文献( ReferencCONG Peikang. 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