某大型城市客車轉向機支架破壞仿真分析

李文中，柴冬梅，張偉

某大型城市客車轉向機支架破壞仿真分析

李文中，柴冬梅，張偉

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

對某大型城市客車轉向機支架進行靜力仿真分析，并在此基礎上，基于Radioss求解器，結合試驗所得的材料S-N曲線，在交變載荷譜的作用下對轉向機支架進行疲勞仿真分析，并將仿真分析與材料分析、實際破壞情況進行對比。結果表明，轉向支架的疲勞仿真分析與實際壽命具有較好的符合性。

轉向機支架；疲勞壽命；城市客車；S-N曲線

大型公路客車的轉向系對客車行駛安全有著至關重要的作用，轉向機的支架也因此作為保安件被尤為重視[1-2]。轉向機支架的疲勞壽命直接影響整個轉向機構的使用壽命[3-4]。大型城市客車的前軸荷較大，在實際運行時進出站頻率較高，尤其在出站時，駕駛員通常會選擇原地提前轉向。在原地轉向過程中，受到的地面反作用力較大，且會出現(xiàn)交變載荷，從而導致轉向機支架受力工況變得尤為惡劣。因此，轉向機支架設計的合理與否將在很大程度上影響轉向系統(tǒng)的性能[5]。

1 某大型城市客車轉向機支架結構及破壞

1.1 轉向機支架結構

某大型城市客車為發(fā)動機后置二級踏步，受結構限制，轉向系統(tǒng)采用角傳動器、側臥式轉向機的布置形式。由于轉向機安裝平面與車架腹面有一定距離，需要設計外伸梁形式的轉向機連接支架，如圖1所示。

轉向機是通過轉向機安裝板安裝于轉向機支架上。轉向機支架是由兩個槽形件焊接而成的，用螺栓安裝在車架縱梁腹面。轉向機支架總成由轉向機支架、連接支架、轉向機安裝板組成。

1.2 轉向機支架破壞形式

車輛行駛約1.2×105km后，發(fā)現(xiàn)轉向沉重并且抖動明顯。經過檢查發(fā)現(xiàn)轉向機前支架開裂失效。支架失效后強度和剛度嚴重降低。原地轉向試驗顯示，支架變形明顯，有嚴重安全隱患，已無法滿足正常的使用要求。轉向機支架失效形式如圖2所示。

根據轉向機支架破壞實物圖，顯示轉向機支架靠近圓角的位置發(fā)生開裂，裂口位置有銹蝕，且銹蝕程度不一，初步判斷為疲勞開裂[6]。支架為鋼板折彎件，折彎位置處圓弧半徑不大，容易產生應力集中。在轉向載荷反復施加的情況下[7]，支架材料內部有砂眼或缺陷部位會產生較大內應力，最終出現(xiàn)細小裂紋，隨著使用期限的延長，小裂紋會逐步擴大。擴大后的裂紋達到了宏觀斷裂的水平，最終將支架撕裂，從而產生了裂縫的粗糙區(qū)[8]。

2 仿真及材料分析

2.1 受力分析

該轉向傳動機構的受力如圖3所示。一般情況下，在轉向時，地面將地面摩擦力傳遞至輪胎，輪胎再將地面產生的反力傳遞至轉向節(jié)臂，轉向節(jié)臂通過轉向梯形臂傳遞至轉向縱拉桿，縱拉桿再將受力反饋至轉向搖臂。因此，轉向機支架既承載著轉向機自身的重力，又受到轉向搖臂傳遞過來的地面摩擦力。

由前文所述，選取原地轉向工況來評價轉向機支架的受力情況，使用如下經驗公式來計算地面反作用給輪胎的阻力矩MR[9]：

式中：μ為胎面與地面的摩擦系數，取0.7；G為前軸載荷，取3.244×104N；p為胎壓，取8.3×105Pa。

代入相關參數，計算得到該車地面反作用給輪胎的阻力矩MR為1 496.5 N·m。

再考慮轉向梯形傳動效率及拉桿機構傳動效率，計算得到傳遞至搖臂的力矩Mρ[5]，即：

式中：IT為轉向梯形傳動比，取1；ηT為轉向梯形效率值，取0.8；ID為轉向拉桿傳動比，取0.85；ηD為轉向拉桿效率值，取0.8。

代入相關參數，計算得到該車的轉向搖臂受到的力矩MP為4 952 N·m。轉向機的自重力矩相對于該力矩值而言，不處于同一個數量級，因此考慮到計算的簡化，此次分析中不考慮轉向機自重的影響，后續(xù)該力矩將用于疲勞分析的載荷輸入。

此外，客車在實際運行過程中可能會出現(xiàn)車輪陷入坑中，導致車輪卡死的惡劣工況，這時轉向機最大輸出力矩會大于傳遞至搖臂的力矩MP。該最大輸出力矩將被用于靜力工況的仿真加載，經查該車轉向機最大輸出力矩為6 100 N·m。

2.2 靜力工況仿真

根據三維模型及上述受力分析進行有限元建模，截取縱梁的一部分，將縱梁兩端固定。限制其六個自由度，在轉向機輸出軸位置建立連接螺栓孔的剛性單元，在主節(jié)點位置施加力矩6 100 N·m。轉向機支架總成的有限元模型共有9 858個節(jié)點，9 460個單元，單元主要類型為CTRIA3和CQUAD4，如圖4所示。

轉向機支架總成的材料及部分力學性能如表1所示，三種材料的彈性模量皆為200～210 GPa，泊松比皆為0.25～0.33，密度皆為7.85×103kg·m-3。

從靜力仿真分析工況下的位移變形云圖及應力分布云圖可以看出，轉向機支架最大變形位移為2.06 mm，發(fā)生于轉向機支架端部位置；最大應力為337.2 MPa，發(fā)生于槽型連接板折彎圓角處。由分析結果可知，轉向機支架變形量過大（在正常使用中，認為變形量小于1 mm為可靠的），不能滿足轉向機支架的剛度要求；最大應力值略小于材料的屈服強度355 MPa，可以滿足使用工況，但出現(xiàn)局部應力較大，存在應力集中疲勞隱患。

2.3 疲勞工況仿真

車輛正常運行過程中，很少會出現(xiàn)靜力工況下的極限力矩6 100 N·m，疲勞分析載荷主要依據一般工況下轉向機所承受的左右交變循環(huán)載荷，交變載荷譜為幅值4 952 N·m的余弦曲線。將交變載荷按上述加載方式加載到轉向機支架上，模擬仿真交變載荷[9-10]。

疲勞壽命分析針對靜力工況及實際使用情況下產生應力集中的轉向機支架槽型連接板展開。連接板的材料為355L，試驗條件為應力比R=-1，循環(huán)基數為5.0× 106，在不同存活率條件下，公司材料部按國家標準進行的疲勞試驗數據如表2所示。

對該城市客車實際運行的80輛樣車進行調研，結果顯示有8輛車轉向機支架發(fā)生開裂，存活概率為90%。疲勞壽命分析根據實際情況，采用存活率p=90%的數據進行。

將上述355L材料的疲勞試驗數據擬合出存活率p=90%情況下的材料S-N曲線，如圖5所示。將該曲線輸入基于Radioss求解器的有限元計算軟件中，即可對轉向機支架進行疲勞壽命的評估計算。

轉向機支架槽型連接板疲勞壽命仿真計算結果如圖6所示。從圖上可以看出，轉向機支架槽型連接板疲勞壽命計算結果為6.43×104次，小于設計要求的2.688×105次，難以滿足車輛行駛4.8×105km不失效，疲勞壽命不符合要求。疲勞危險點位置分布于支架圓角折彎處，與靜力工況計算結果相吻合，同時對比實際工況，破壞形式同疲勞壽命分析趨勢一致，6.43×104次疲勞壽命轉化為行駛里程約為1.05×105km，與實際里程1.2×105km相差12.5%，二者較為接近，表明疲勞壽命分析方法可行、有效，可以用來指導設計。

2.4 材料分析

為了進一步確認材料屬性，通過試驗對轉向機支架進行了4個項目包括元素含量、硬度、金相組織及力學性能的詳細分析。從分析結果可以看出，斷裂支架材質、硬度、組織及力學性能均符合355L材料理化屬性，可以排除材料缺陷造成疲勞破壞的可能。

1）元素含量。元素含量檢驗采用QSN750金屬材料元素分析儀，依據標準Q/CAM-75-2010檢驗，檢驗結果如表3所示。

2）硬度。硬度檢驗采用維氏硬度全自動控制和測量系統(tǒng)，依據GB/T 4340.1-2009[11]檢驗，A、B、C三點檢驗硬度（HV1）分別為168、173、179，符合材料技術要求。

3）金相組織。金相組織檢驗采用金相顯微鏡，依據GB/T 13298-2015[12]檢驗，檢驗結果為“鐵素體+珠光體”，符合材料技術要求。

4）力學性能。力學性能檢驗采用電子萬能材料試驗機，依據GB/T228.1-2010[13]檢驗，檢驗樣品為兩份，檢驗結果如表4所示。

3 結束語

本文采用有限元分析法，基于Radioss求解器對轉向機支架的靜強度和疲勞壽命進行了仿真分析，結果表明仿真分析與實際壽命具有較好的符合性，真實可靠地反映了轉向機支架的破壞機理，可為同類設計提供參考。

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[13]全國鋼標準化技術委員會.金屬材料拉伸試驗第1部分室溫試驗方法：GB/T228.1-2010[S].北京：中國標準出版社，2010：12.

修改稿日期：2017-01-05

Simulation Analysis on Failure of Steering Gear Bracket of a Large City Bus

Li Wenzhong,Chai Dongmei,ZhangWei
（China FAWCo.,Ltd,R&DCenter,Changchun 130011,China）

The authors make a static strength simulation analysis on the steering gear bracket of a large city bus. Based on this and the Radioss solver,they finish the fatigue simulation analysis on the steering gear bracket under alternatingload spectrumcombingwith the tested material S-Ncurves,and compare the simulation analysis with the material analysis and the actual damage condition.The results show that the fatigue simulation analysis confirms well tothe practical life ofthe part.

steeringgear bracket;fatigue life;citybus;S-Ncurve

U463.4；U469.1

A

1006-3331（2017）02-0001-03

李文中（1987-），男，底盤工程師；主要從事底盤設計工作。