商用車駕駛室橫拉桿故障問(wèn)題的試驗(yàn)研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)

李德光，韋志林

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州545005；2.廣西工學(xué)院汽車工程研究所，廣西 柳州545006）

目前的商用車普遍采用全浮式駕駛室以提高舒適性。為了減小駕駛室的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)幅度，在全浮式駕駛室后部設(shè)計(jì)安裝了橫向的拉桿裝置（如圖1所示），以提高駕駛室的側(cè)傾剛度[1]。然而某型商用車在海南試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)駕駛室橫向拉桿發(fā)生了彎曲失穩(wěn)變形、接頭襯套斷裂等故障現(xiàn)象。

圖1 駕駛室橫拉桿布置示意圖

根據(jù)橫拉桿的具體工作特點(diǎn)，該桿件在車輛在不平路面行駛時(shí)會(huì)承受來(lái)自兩種駕駛室運(yùn)動(dòng)引起的載荷：其一是當(dāng)駕駛室存在側(cè)向加速度時(shí)橫拉桿主要承受軸向的拉力或壓力；其二當(dāng)駕駛室繞X軸做擺動(dòng)時(shí)會(huì)主要承受彎矩和扭矩。車輛在實(shí)際的行駛時(shí)往往是多種載荷同時(shí)出現(xiàn)，且這種在動(dòng)態(tài)才會(huì)出現(xiàn)的載荷無(wú)法用靜態(tài)計(jì)算進(jìn)行分析，鑒于關(guān)于這方面的數(shù)據(jù)和相關(guān)的資料的空缺，進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)態(tài)內(nèi)力的電測(cè)試驗(yàn)并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)是有必要的。

1 橫拉桿內(nèi)力測(cè)試

通過(guò)電測(cè)試驗(yàn)測(cè)定橫拉桿在可靠性路面上所受的應(yīng)力和的內(nèi)力（軸力、彎矩、扭矩），可以對(duì)橫拉桿的強(qiáng)度做出評(píng)估，并對(duì)結(jié)構(gòu)故障的原因進(jìn)行分析，提出具體的改進(jìn)意見(jiàn)。

1.1 內(nèi)力測(cè)試原理

這里以一個(gè)受軸力和彎矩作用的箱形截面的梁的內(nèi)力測(cè)量為例，說(shuō)明用電測(cè)法測(cè)量?jī)?nèi)力的原理[2]。

圖2 軸力的內(nèi)力測(cè)試

如圖2所示，為了測(cè)量梁的受力，在梁的同一截面的3個(gè)位置布置了沿X軸方向的應(yīng)變片。顯然，應(yīng)變片的測(cè)量值是梁所受軸力和彎矩共同作用的結(jié)果。這里規(guī)定若彎矩的矢量方向與相應(yīng)的坐標(biāo)軸方向相同則彎矩為正，與坐標(biāo)軸方向相反則為負(fù)。因此，有如下等式成立：

其中，

ε1、ε2、ε3為位置1、2、3處應(yīng)變的測(cè)量值；

εX為由軸力引起的應(yīng)變；

εMZ為由繞Z軸的彎矩引起的應(yīng)變；

εMY為由繞Y軸的彎矩引起的應(yīng)變；

ε1、ε2、ε3的值可以由測(cè)量?jī)x器中讀出，然后求解(1)、（2）、（3）式組成的方程組有：

由材料力學(xué)知，軸力和彎矩引起的應(yīng)變可以按式（7）、（8）計(jì)算：

其中，

P為桿件所受的軸力；

A為桿件的橫截面積；

E為桿件材料的彈性模量；

MY為矢量方向平行于Y軸的彎矩；

WY為繞Y軸的抗彎截面模量。

將它們分別代入（4）、（5）、（6）得到：

上述推導(dǎo)說(shuō)明了軸力和彎矩的測(cè)量原理，對(duì)于扭矩等其它形式的內(nèi)力也可以采用類似的方法加以測(cè)量。

1.2 測(cè)試對(duì)象慣性參數(shù)的計(jì)算

原桿件采用的是2 mm厚度的空心軸，其尺寸如下：

內(nèi)徑d=18 mm，外徑D=22 mm，截面積：

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

為測(cè)定橫拉桿所受的應(yīng)力和內(nèi)力，需要在橫拉桿的中部和兩端布置測(cè)點(diǎn)。由前述的內(nèi)力計(jì)算公式可知，軸力的計(jì)算結(jié)果對(duì)測(cè)量的應(yīng)變值的變化比較敏感，測(cè)量誤差對(duì)軸力有放大作用，測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因有橫拉桿尺寸公差、應(yīng)變片電阻誤差、應(yīng)變片貼片位置方位誤差、測(cè)量時(shí)溫度變化影響、儀器不穩(wěn)定產(chǎn)生誤差等因素。因此在未知彎矩、軸力、扭矩大小的情況下，本次實(shí)驗(yàn)在多個(gè)截面上布置測(cè)點(diǎn)，這樣可以對(duì)計(jì)算出來(lái)的內(nèi)力進(jìn)行比較核對(duì)。

在布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，按軸力、彎矩、扭矩的測(cè)試方法進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)布置方案如圖3所示。各組測(cè)點(diǎn)的用途如下：

（1）測(cè)定1、2、3、4用于測(cè)定接頭附近的應(yīng)力。由于接頭附近曾經(jīng)出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，因此應(yīng)變片的方位需與以前出現(xiàn)裂紋的方向垂直。

（2）測(cè)點(diǎn)6與8、14與16、18與20組成3組，用于測(cè)量3個(gè)截面處橫拉桿所受的垂直彎矩。

（3）測(cè)點(diǎn)5與7、13與15、17與19組成3組，用于測(cè)量3個(gè)截面處橫拉桿所受的水平彎矩。

（4）測(cè)點(diǎn)18與21、20與22組成兩組測(cè)量橫拉桿所受的軸力。

（5）測(cè)點(diǎn)9、10、11、12用于測(cè)量橫拉桿的扭矩。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.4 測(cè)試數(shù)據(jù)

在海南汽車試驗(yàn)場(chǎng)可靠性跑道上進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，如圖4為截面測(cè)點(diǎn)2的應(yīng)變動(dòng)態(tài)曲線。根據(jù)前述介紹的內(nèi)力計(jì)算公式，計(jì)算出橫拉桿在可靠性路面上所承受的載荷，如表1所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)2動(dòng)態(tài)曲線及典型路段最大軸力數(shù)值

表1 各截面彎矩幅值統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明橫拉桿主要承受的是軸力，彎矩和扭矩很小。

在同一截面選取不同的測(cè)點(diǎn)對(duì)計(jì)算軸力和彎矩所得結(jié)果略有不同，由于內(nèi)力必須在測(cè)定應(yīng)力的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)相關(guān)的計(jì)算才可獲得，而應(yīng)變片的電阻值誤差、貼片角度誤差、構(gòu)件尺寸誤差，導(dǎo)線電阻值的誤差都會(huì)對(duì)最終的結(jié)果造成影響。因此本次試驗(yàn)才在多個(gè)截面上電測(cè)試驗(yàn)，以獲得較大軸力數(shù)據(jù)。

2 橫拉桿失穩(wěn)的屈曲有限元計(jì)算

屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷。線性屈曲分析是以小位移小應(yīng)變的線彈性理論為基礎(chǔ)的，分析中不考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過(guò)程中結(jié)構(gòu)構(gòu)形的變化，也就是在外力施加的各個(gè)階段，總是在結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形上建立平衡方程。當(dāng)載荷達(dá)到某一臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)形將突然跳到另一個(gè)隨遇的平衡狀態(tài)，稱之為屈曲。臨界點(diǎn)之前稱為前屈曲,臨界點(diǎn)之后稱為后屈曲[3]。

利用hyperWorks結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件包，建立橫拉桿的有限元模型。模型中包含23 733個(gè)hex8實(shí)體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 787。在橫拉桿的一端施加鉸鏈約束，在拉桿的另一端施加大小為10 N的軸向力，利用Optistruct求解器計(jì)算橫拉桿的10階失穩(wěn)模態(tài)，結(jié)果如表2所示，失穩(wěn)臨界載荷為特征值與載荷的乘積。

表2 失穩(wěn)計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)拉桿失穩(wěn)的計(jì)算表明，對(duì)應(yīng)2毫米厚度桿的失穩(wěn)臨界壓力為5 166 N，試驗(yàn)所獲得的2毫米拉桿最大軸壓力為6 147 N，所以在車輛可靠性試驗(yàn)時(shí)拉桿發(fā)生了明顯的失穩(wěn)，失穩(wěn)又直接導(dǎo)致應(yīng)力的提高造成桿件高應(yīng)力區(qū)的斷裂。

由于空間布置的限制，現(xiàn)有的橫拉桿外輪廓尺寸不能有明顯的變化。為了提高該桿件的失穩(wěn)臨界載荷，將該橫拉桿改為外徑為φ22 mm、內(nèi)徑為φ14 mm，即厚度為4 mm的空心圓管。

經(jīng)計(jì)算，改進(jìn)后的橫拉桿一階失穩(wěn)臨界載荷提高為9 720 N，較原設(shè)計(jì)方案增加了88%。由于駕駛室的連接結(jié)構(gòu)并沒(méi)有變化，因此工作時(shí)橫拉桿的最大軸向壓力不變，改變橫拉桿厚度后，該結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)安全系數(shù)為9 720/6 147=1.58。

為了驗(yàn)證新尺寸橫拉桿的可靠性，在海南試驗(yàn)場(chǎng)重新進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，沒(méi)有出現(xiàn)前述的各種故障。該車投入市場(chǎng)后也沒(méi)有發(fā)生橫拉桿斷裂的情況，證明改進(jìn)是有效的。

4 結(jié)束語(yǔ)

故障問(wèn)題的成功解決表明我們關(guān)于橫拉桿失穩(wěn)的分析與實(shí)際情況符合，不僅解釋了拉桿結(jié)構(gòu)失效的機(jī)理，同時(shí)測(cè)定出實(shí)際的內(nèi)力大小、幅值的統(tǒng)計(jì)等。這些數(shù)據(jù)對(duì)認(rèn)識(shí)駕駛室實(shí)際工作狀態(tài)是必不可少的資料，填補(bǔ)了公司駕駛室設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)的空白，對(duì)今后的設(shè)計(jì)工作有實(shí)際的參考和借鑒的意義。

[1]葉福恒，許 可，等.某商用車駕駛室全浮式懸置系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].汽車技術(shù)，2010(06):33-39.

[2]吳宗岱，袁禮平.應(yīng)變電測(cè)原理及技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982.

[3]李楚琳，張勝蘭，等.Hyperworks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.