Jourmal of Mechanical Strength機?，斢?008,30(2):33~338●研究簡報●重卡雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)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)大學機械與汽車工程學院,合肥2000)(2.江淮汽車集團,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摘要建立重型卡車雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的力學分析模型。利用轉(zhuǎn)向縱拉桿的結(jié)構(gòu)特點和受力特點,分析作用在方向盤上的主動力矩和轉(zhuǎn)向縱拉桿所受外力之間的關(guān)系。建立重型卡車雙前橋主要部件的有限元分析模型,用 ANSYS軟件對主要部件進行強度分析和計算并通過相關(guān)的電測試驗,對有限元計算結(jié)果進行試驗驗證。為復雜機構(gòu)的強度分析提供技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞重型卡車強度分析有限元法雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)中圖分類號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(zhuǎn)向機構(gòu)的工作原理隨著公路運輸?shù)陌l(fā)展,中國公路的發(fā)展模式正在重卡的雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖見圖1在轉(zhuǎn)向過程從低噸位、低完好率、低速的中型卡車向高噸位、高完中,來自于方向盤的轉(zhuǎn)動位移經(jīng)過轉(zhuǎn)向器傳遞到雙前好率、高速的重型卡車發(fā)展,運輸市場對重型卡車的需橋轉(zhuǎn)向機構(gòu),具體的傳遞過程見圖2。求急劇增加。重卡的雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)比以往的單橋轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)要復雜得多作為轉(zhuǎn)向系總成的重要組成3轉(zhuǎn)向機構(gòu)的靜力學分析部件轉(zhuǎn)向機構(gòu)的各部件在汽車的轉(zhuǎn)向操作過程中承3.1轉(zhuǎn)向機構(gòu)主動力的確定受著復雜的空間載荷的作用,其結(jié)構(gòu)強度計算和分析作用在方向盤上的主動力矩,通過轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向是設計過程中一個不可缺少的過程16。本文分析重卡搖臂施加在轉(zhuǎn)向縱拉桿上,通過轉(zhuǎn)向縱拉桿向后面的的雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)力的傳遞特性,建立主要部件的有部件傳遞。在進行強度分析時,本文的研究對象包括轉(zhuǎn)限元模型,應用大型有限元分析軟件 ANSYS對主要向縱拉桿、過渡搖臂(前、后)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂(第一、二橋部件的結(jié)構(gòu)強度進行分析,并用電測法對計算結(jié)果進搖臂直拉桿、直拉桿(前后)、橫拉桿(第一、二橋)在內(nèi)行試驗驗證。通過計算分析與測試,為進一步確定轉(zhuǎn)的空間桿系結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)向縱拉桿傳遞的力F1作為主動向系統(tǒng)各個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主動力矩轉(zhuǎn)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)大學機械與汽車工程學院教授博士,研究方向為汽車現(xiàn)代設計方法的研究。機械強度2008年前過渡搖臂前轉(zhuǎn)向節(jié)臂將F2和F3作為主動力分別加在第一直拉桿和聯(lián)動桿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力加在相關(guān)桿件上。這方向盤后過渡搖臂樣便確定了相關(guān)從動桿件的力。Rear drop arm轉(zhuǎn)向直控桿4轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要部件的有限元計算Steering draglink4.1單元的選取后轉(zhuǎn)向節(jié)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(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖Fig. I Steering bogie linkage assembly的力傳動比及轉(zhuǎn)向搖臂的結(jié)構(gòu)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(guī)則(見圖3a)通過應力測試的方法得到其中性面上的正應力(見圖3b),F1與a的關(guān)系式F(1)棱形選項式中a—實測應力,Nmm2The optiong of rhombusS——橫截面積,mm2M N, O.32從動桿件力的確定獲得轉(zhuǎn)向縱拉桿傳遞的力F1后,把F1模擬實際表面坐標系受力情況加載在過渡搖臂上;加載求解后,在 ANSYS節(jié)點坐標系The face coordinate四面體選項—不推薦使用The option of tetrahedron--not中選定過渡搖臂上連接第一直拉桿和聯(lián)動桿的所有節(jié)The node coordinaterecommend圖4 Solid45單元點,求解出其作用在過渡搖臂上的反作用力F2和F3Fig 4 Element of Solid45215-許1轉(zhuǎn)向油灌2.流量控制閥3.轉(zhuǎn)向油泵4.安全閥門5單項閥6轉(zhuǎn)向盤7機械轉(zhuǎn)向器8轉(zhuǎn)向動力缸9轉(zhuǎn)向控制閥10.轉(zhuǎn)向搖臂1轉(zhuǎn)向器直拉桿12第一橋搖臂13聯(lián)動桿14第一橋直拉桿15第二橋搖臂16轉(zhuǎn)向動力缸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(zhuǎn)向機構(gòu)運動傳遞示意圖Fig2 Transmission line of steering bogie linkage assembly第30卷第2期石琴等:重卡雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的強度分析搖臂拉桿總成及局部放大圖Arm assembly andits enlarge part轉(zhuǎn)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濾搖臂Front drop arm后橫拉桿圖5雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要部件有限元模型衰1重卡雙前橋部件材料特性參數(shù)Tab.1 The material characteristic of the steering bogle linkage assembly of heavy-truck要力學性能零件名稱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(zhuǎn)向直拉桿 Steering draglink轉(zhuǎn)向節(jié)臂Track arm橫拉桿搖臂直拉桿 Draglink of arms過渡搖臂 Drop arm直拉桿鋼管 Steel tube0根據(jù)有限元分析的基本理論,單元類型選擇的慮雙前橋的結(jié)構(gòu)和受力特點選取三維8節(jié)點單元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(jié)s×10構(gòu)單元由8個節(jié)點組成。在單元每一個節(jié)點上有三特一5個自由度,即分別沿著三個坐標軸方向。此單元可以睪0進行塑性、蠕變、應力硬化大變形以及大應變分析方向盤轉(zhuǎn)角/(°)關(guān)于 Solid45單元的幾何形狀、節(jié)點方向以及坐標軸The rotating angle of steering wheel/()圖6方向盤轉(zhuǎn)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圖7a-圖7e較小或可以用相關(guān) ANSYS命令代替的部件進行簡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在跨越凸臺的同時進行轉(zhuǎn)向時,機構(gòu)承的文本文件,然后將該文件導人 ANSYS后進行網(wǎng)格劃受著極值載荷,同時結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向機構(gòu)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(xiàn)場試驗圖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(zhuǎn)向機構(gòu)的強度分析337接應變計strain gauge重型卡車雙前橋電橋盒V3靜態(tài)變儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)示意圖和試驗儀器Fig 10 The system of the testing豪2典型位置節(jié)點主應力有限元計算及試驗結(jié)果Tab2 Calculation and test results of main stress on typical nodes118MPa,安全系數(shù)n==2.6,故桿件在該靜態(tài)載荷作用下的強度滿足設計要求。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前橋進行靜態(tài)與動態(tài)電測試驗51測量點的確定根據(jù)理論計算的結(jié)果,選定36個測量點,考慮到前、后過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點處也布置了應變花。圖9a、圖9b為布點位置示意圖;圖10a、圖10b為部分電測應變計(花)貼片現(xiàn)場試驗圖。l13.4752測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)見圖11試驗前對雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)相關(guān)7.7部件進行分析、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,到試驗場地后將對應的線接到儀器(b)上,加上相關(guān)載荷并采集需要的數(shù)據(jù)。下的疲勞破壞,僅對以下3種工況進行分析,通過引入53試驗結(jié)果分析安全系數(shù),對結(jié)構(gòu)進行強度校核。試驗直接測得的為非主應變方向的應變值,根據(jù)工況1空載,原地向右打方向盤下式換算成主應力工況2滿載,向右打方向盤工況3滿載,以10km/h車速行駛,向右打方向+E2d1,2=1-g-1+g通過試驗測試,3種工況下轉(zhuǎn)向機構(gòu)的受力方向盤轉(zhuǎn)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,即滿載下以10km/h車速行駛轉(zhuǎn)向,方向盤轉(zhuǎn)過720—材料的泊松比時F1=20.94kN在確定了F1后按圖2所示的過程直角應變計(0°、120°、249)位置的應變中國煤化工對各主要部件進行強度分析。CNMHG分析4.5結(jié)果分析工況3部分有限元計算及試驗結(jié)果見表2通過比主要部件有限元計算結(jié)果見圖8a-圖8d,最大較和分析可知,模型上關(guān)鍵點的理論計算結(jié)果與試驗應力點發(fā)生在前直拉桿的前端(見圖8b),最大應力為結(jié)果相對誤差為0.46%~15%,一般在10%左右,個338機械強度2008年別位置接近15%。這是因為理論計算建模時,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化,(2]張曉云,金先龍,葛龍面向國家標準的汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)安全性這些簡化帶來一定的計算誤差,但整體的趨勢是一致仿真[門.系統(tǒng)仿真學報,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(nèi),可以認為理論模型正確tion secure simulation face national standard [J]. system SimulationJour理論計算結(jié)果可信。nl,2003,15(2):28-20 In Chinese[3]施康.重型設備運載車轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設計與計算[門].汽車技術(shù),6結(jié)論200,12:79本文利用轉(zhuǎn)向縱拉桿的結(jié)構(gòu)特點和受力特點,分SHI Kang. The design and computation o heavy equipment delivery vehi-le rotation gear[J]. Automobile Technology, 2000, 12: 7-9( In Chi-析作用在方向盤上的主動力矩和轉(zhuǎn)向縱拉桿所受外力之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),兩者之間的關(guān)系不僅與轉(zhuǎn)向器[4]蔣崇賢,何明輝專用汽車設計[M].武漢:武漢工業(yè)大學出版杜的力傳遞比及轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)有關(guān),而且與汽車的行駛194;3245狀態(tài)有關(guān)。在對轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行強度計算時,采取電測與JIANG ChongXian, HE Minghui. The special-purpoee automobile design理論分析相結(jié)合的辦法,確定作用在重型卡車雙前橋[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 1994: 32-45(In Chines轉(zhuǎn)向機構(gòu)的主要部件上的載荷是行之有效的。但是當[5]屈求真.三軸汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計分析[].汽車研究與開發(fā),1997,6:2426汽車在跨越凸臺的同時進行轉(zhuǎn)向時,機構(gòu)承受著更大QU Qiuthen. The tuming system structural design analysis of the three ax-的極值載荷,同時結(jié)構(gòu)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進一步的試驗和仿真分析,有待于進一步的研究。[6]龔培康.汽車拖拉機有限元法基礎(chǔ)[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轉(zhuǎn)向機構(gòu)多自由度運動學模型[].[]劉濤,精通 ANSYS[M]北京:清華大學出版社,200:347傳動技術(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