基于HyperWorks轉(zhuǎn)向器支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)

李江，申伶，梁江波

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于HyperWorks轉(zhuǎn)向器支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)

李江，申伶，梁江波

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶針對(duì)某10×4自卸車新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器支架在試驗(yàn)過程中發(fā)生斷裂故障，從轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向器支架結(jié)構(gòu)、斷裂形式及受力情況進(jìn)行原因分析，并運(yùn)用CATIA三維建模和HyperWorks軟件對(duì)轉(zhuǎn)向器支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)改進(jìn)后轉(zhuǎn)向器支架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，使得安全因子大于2.5，最終通過可靠性驗(yàn)證，驗(yàn)證了改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向器支架滿足使用要求。改進(jìn)后轉(zhuǎn)向器支架安全系數(shù)提高到了安全因子的2.5倍，給車輛正常使用帶來了一定的保證。

∶轉(zhuǎn)向器支架；安全因子；Hyperworks；疲勞分析；試驗(yàn)驗(yàn)證

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.019

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-49-03

引言

轉(zhuǎn)向器支架是車輛轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵零部件，它起到固定轉(zhuǎn)向器的作用，車輛運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向器支架受到轉(zhuǎn)向機(jī)前后擺動(dòng)的力，同時(shí)也受到轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向到某一轉(zhuǎn)角后不再轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，轉(zhuǎn)向機(jī)輸出力矩最大，轉(zhuǎn)向器支架這時(shí)受到拉桿反作用力最大，若果轉(zhuǎn)向器支架設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以承受該力的沖擊，轉(zhuǎn)向器支架就可以可靠的使用。轉(zhuǎn)向器支架一旦斷裂，轉(zhuǎn)向器將不能被固定，車輛整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不能實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的功能，車輛將失去轉(zhuǎn)向性能，這種情況對(duì)駕駛員存在一定的安全隱患。所以轉(zhuǎn)向器支架在設(shè)計(jì)過程中必須考慮最大受力情況下的安全因子大于1，以滿足轉(zhuǎn)向器支架強(qiáng)度滿足整車使用。轉(zhuǎn)向器支架安裝位置見圖1 所示。

1、失效原因分析

失效轉(zhuǎn)向器支架如圖2所示，斷裂處從較窄的連接面處斷裂，根據(jù)斷裂層的斷口分析，為疲勞斷裂，斷裂處應(yīng)該受到一定的沖擊載荷所致。

圖1

經(jīng)過對(duì)斷裂轉(zhuǎn)向器支架車輛整個(gè)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力在極限位置不泄壓，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)異常，通過最終分析發(fā)下，轉(zhuǎn)向機(jī)出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)向機(jī)行程卸荷閥出現(xiàn)故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)不能自動(dòng)卸荷，轉(zhuǎn)向機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)角后仍不卸荷導(dǎo)致系統(tǒng)壓力一直持續(xù)在最大工作壓力下，在這種情況下，轉(zhuǎn)向器支架受到的力比正常情況下高出十幾倍的力。通過CAE對(duì)轉(zhuǎn)向器支架結(jié)構(gòu)分析后發(fā)現(xiàn)，此處受力為應(yīng)力較大處，即轉(zhuǎn)向器支架在斷裂處受到拉桿反作用力最大。從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化后，可以通過增加加強(qiáng)筋和調(diào)整內(nèi)加強(qiáng)筋位置，優(yōu)化受力位置，將應(yīng)力集中消除。

通過以上原因分析后，我們在用CAE強(qiáng)度分析中需要考慮轉(zhuǎn)向機(jī)失效情況下的受力情況。

圖2

2、改進(jìn)方案及靜強(qiáng)度分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則是在原支架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，更改內(nèi)加強(qiáng)筋的位置，使其在轉(zhuǎn)向機(jī)輸出軸中心，斷裂處增加連接面寬度和厚度，增加外加強(qiáng)筋的尺寸。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化并用HyperMesh軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，使安全因子由原來的1.2提升至2.5以上，已達(dá)到即使轉(zhuǎn)向機(jī)失效情況下轉(zhuǎn)向器支架靜強(qiáng)度仍然能夠滿足其受力情況。

2.1轉(zhuǎn)向器支架材料屬性

材料采用轉(zhuǎn)向機(jī)鑄件類常用材料，詳見表1。

表1　材料力學(xué)性能

2.2轉(zhuǎn)向器支架使用工況及載荷

工況一、轉(zhuǎn)向機(jī)支架受拉桿反作用力靜態(tài)分析

經(jīng)計(jì)算得靜強(qiáng)度分析加載力為：

F1=27831N

F2=24463N

F3=26342N

受力說明：F1為左轉(zhuǎn)、F2為中位、F3為右轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)向器支架受到拉桿反作用力，三種工況區(qū)別在搖臂和拉桿的夾角不同，夾角越大，受力越大，加載力如圖3所示。

圖3

工況二：

轉(zhuǎn)向機(jī)支架受轉(zhuǎn)向機(jī)扭轉(zhuǎn)力靜態(tài)分析。

在搖臂中心點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)支架施加垂直紙面向里的轉(zhuǎn)矩6724N.m，加載力矩如圖3所示。

2.3轉(zhuǎn)向器支架約束條件

轉(zhuǎn)向器支架通過六個(gè)螺栓連接在車架上，通過四個(gè)螺栓和轉(zhuǎn)向機(jī)連接，利用HyperMesh分析將安裝孔的六個(gè)支架進(jìn)行全部約束，如圖4。

圖4

2.4優(yōu)化方案的確定

根據(jù)受力情況在HyperMesh進(jìn)行建模分析，工況一最終分析的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖5　應(yīng)力分布云圖

最終計(jì)算得出轉(zhuǎn)向器支架在三種工況下的安全因子大于2.5，滿足設(shè)計(jì)要求嗎，安全因子分析結(jié)論見表2。

表2　轉(zhuǎn)向不同工況下的安全因子

根據(jù)受力情況在HyperMesh進(jìn)行建模分析，工況二最終分析的應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

圖6　轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩工況的應(yīng)力云圖

在轉(zhuǎn)矩工況下，忽略轉(zhuǎn)向機(jī)支架孔周圍應(yīng)力集中，向機(jī)支架最小安全因子為4.62，大于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1，滿足靜強(qiáng)度要求。

3、疲勞分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器支架進(jìn)行整車5000公里道路可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，并通過車輛正常運(yùn)行3萬公里試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后轉(zhuǎn)向器支架無斷裂事故發(fā)生。

4、結(jié)論

本文通過對(duì)新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器支架在試驗(yàn)過程種暴露出來的斷裂問題進(jìn)行原因分析后，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)提高支架強(qiáng)度，以達(dá)到滿足整車受力要求，最終通過可靠性驗(yàn)證驗(yàn)證了通過HyperWorks分析出來的結(jié)論是能滿足實(shí)際使用的。本文通過HyperWorks的軟件分析結(jié)果給設(shè)計(jì)者提供很好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，大大提高了轉(zhuǎn)向器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，并準(zhǔn)確的優(yōu)化了需加強(qiáng)的部位。

[1] 張勝蘭,鄭東黎,郝琪,李楚琳.基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 吳仕賦.基于有限元汽車支架有限元設(shè)計(jì)[D].長春:吉林大學(xué), 2005.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.北京.人民交通出版社.1994.

[5] 余志生.汽車?yán)碚?北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2000.

Structure optimization and improvement design of steering gear support based on HyperWorks

Li Jiang, Shen Ling, Liang Jiangbo
（Shaanxi Heavy Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

in the light of a 10 * 4 dump truck new structure to support for fault fault occurs in the test process, from the steering hydraulic power steering system, steering bracket structure, fracture form and stress analysis on the causes, and the use of CATIA 3D modeling and HyperWorks software on the steering bracket structure is optimized, and the improved steering bracket for the static strength analysis, makes the safety factor is greater than 2.5, finally verified by reliability to verify the improved steering bracket used to meet the requirements. The safety factor of the improved steering gear bracket is increased to 3 times of the safety factor, which is guaranteed by the use of the vehicle.

steering gear support; safety factor; Hyperworks; fatigue analysis; experimental verification

∶U463.4

∶A

∶1671-7988 (2016)09-49-03

李江（1985—），男，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)。