鉸接工程車輛抗側(cè)滾扭桿可靠性研究

張浩辰，線 晨

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院,陜西 西安 710300)

0 引 言

鉸接型工程車輛作為一種常見的工程機械，憑借其載重量大、越野能力強等優(yōu)點，已成為野外工程車輛的主要選擇.鉸接型工程車輛受其本身的結(jié)構(gòu)特點的限制，在行駛過程中，整車重心會隨著車體轉(zhuǎn)向而變化，導致側(cè)向穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生側(cè)翻事故，造成經(jīng)濟損失，嚴重影響工作效率，甚至威脅到使用操作人員的生命安全[1].

目前，此類工程車輛一般在駕駛室配備側(cè)翻安全保護裝置以實現(xiàn)被動防護，或者是通過傳感器等手段實現(xiàn)提前警報，提醒駕駛?cè)藛T安全操作.但以上措施并沒有解決車輛整車的穩(wěn)定性問題.因此，為了提高鉸接工程車穩(wěn)定性，減少側(cè)翻事故的發(fā)生，本研究在國產(chǎn)某型鉸接工程車輛前擺動橋設(shè)計安裝了一種抗側(cè)滾扭桿作為鉸接工程車輛的防翻機構(gòu)，開展扭桿彈簧結(jié)構(gòu)變化對整車穩(wěn)定性的影響以及其疲勞分析，為下一步產(chǎn)品的工程實踐應(yīng)用提供了理論依據(jù).

1 抗側(cè)滾扭桿工作原理

如圖1所示，本研究分析一種單級扭桿，該單級扭桿具體由一根扭桿彈簧兩側(cè)各連接一根扭臂，通過連桿與固定車架處連接組成.扭桿彈簧左右兩端可以通過花鍵連接，或者過盈配合將扭臂固定連接在一起，扭臂的另一端一般是利用橡膠關(guān)節(jié)元件以鉸接的形式連接在連桿一端，左右連桿的上端亦可通過橡膠關(guān)節(jié)連接在車體支撐座上[2-4].

圖1 扭桿運動原理示意圖

當擺動橋發(fā)生相對擺動時，圖1中的連桿受到壓力作用而產(chǎn)生垂直方向的運動，兩側(cè)扭臂相對于扭桿彈簧將會一對反向?qū)?yīng)的扭矩T，扭矩T作用于扭桿彈簧使其發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，在相互作用力下產(chǎn)生一個力矩M，用于抵抗車體側(cè)滾運動，以此抑制車體的側(cè)傾運動.擺動橋空間布局如圖2所示.

圖2 擺動橋空間布局

據(jù)圖2可知，除卻車輛現(xiàn)有的管路和線路以外，擺動橋在目前仍然有±15°左右的擺動范圍，本研究建立1:1的前車體、駕駛室與前擺動橋的CREO三維模型，在整體尺寸1 000 mm×350 mm×700 mm的矩形空間內(nèi)設(shè)置抗側(cè)滾扭桿機構(gòu)，最終安裝方案如圖3所示.

圖3 抗側(cè)滾扭桿防翻機構(gòu)安裝三維示意圖

2 抗側(cè)滾扭桿結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 虛擬樣機模型建立

由于車體外形尺寸對最終的仿真結(jié)果的影響可以忽略不計，為簡化計算過程，本研究對整車外形進行了大幅度簡化.只需要有安裝位置坐標和各部件質(zhì)量信息[5-6]，最終的車身子系統(tǒng)只擁有鉸接處的1個轉(zhuǎn)動自由度，具體如圖4所示.

圖4 虛擬樣機車身子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標

采用橫向載荷轉(zhuǎn)移率(Lateral Load Transfer Ratio，簡稱LTR)作為車輛側(cè)傾穩(wěn)定性評價指標[1]，其具體含義為：單根車軸兩側(cè)車輪受到的垂直載荷差值的總和，與所有車輪所受到的垂直載荷總和的比值的絕對值，即，

(1)

式中，F(xiàn)li和Fri為第i對輪胎兩側(cè)車輪上受到的垂直載荷；n為車軸總數(shù).

當車輛行駛時，由于車身晃動或者轉(zhuǎn)向行駛過程中的重心偏移，左右車輪的受力不相等，由此產(chǎn)生了橫向載荷轉(zhuǎn)移，即LTR值.根據(jù)公式(1)可以得出LTR的取值范圍為0到1，其物理現(xiàn)象表示為：當LTR=0時，兩側(cè)的車輪的垂直載荷大致相等，車輛行駛極其平穩(wěn)；當LTR=1時，車輛的某一側(cè)車輪與地面沒有相互作用力(可理解為離地現(xiàn)象)，此刻則認定鉸接車輛的穩(wěn)定性很差.由此判斷，隨著LTR值的上升，整車的穩(wěn)定性變得越來越差.因此，LTR是一種常用的且能有效反映車輛側(cè)翻危險性的評價指標.

通過LTR計算公式，將計算過程創(chuàng)建如圖5的MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)[7]，以計算整車在行駛過程中的LTR值.

圖5 MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)

2.3 整車側(cè)傾穩(wěn)定性分析

分析3種典型行駛狀況，采用不同扭桿彈簧的剛度，并利用LTR值來評判整車的穩(wěn)定性的變化[8-10].

2.3.1 平地單向轉(zhuǎn)向行駛

根據(jù)LTR曲線觀察可知，平地轉(zhuǎn)向過程中，抗側(cè)滾扭桿剛度的在1.00 MN·m/rad到2.15 MN·m/rad變化時，車輛LTR曲線趨于平緩，峰值均在0.5以下，穩(wěn)定性較好.具體如圖6所示.

圖6 抗側(cè)滾扭桿剛度變化時LTR值變化圖

2.3.2 平地蛇形轉(zhuǎn)向

扭桿剛度在一定范圍內(nèi)增加時，LTR曲線表現(xiàn)更加平緩，峰值逐漸降低，此時傾穩(wěn)定性有一定程度地提高，如圖7所示，當扭桿剛度超過2.00 MN·m/rad時，LTR曲線峰值上揚，此時鉸接工程車輛發(fā)生側(cè)翻可能性大大提高.

圖7 扭桿剛度變化LTR值

2.3.3 斜坡轉(zhuǎn)向

斜坡轉(zhuǎn)向設(shè)定路線如圖8所示.

圖8 斜坡工程車輛行駛路線圖

根據(jù)圖8中行車路線，當車輛向上轉(zhuǎn)向時，整車向外側(cè)的離心現(xiàn)象最為明顯，導致側(cè)向穩(wěn)定性最差.扭桿剛度變化影響效果分析如圖9所示.

圖9 扭桿剛度變化時LTR變化曲線

據(jù)圖9可知，斜坡轉(zhuǎn)向峰值超過0.8時表明斜坡行駛比平地行駛更加危險.在斜坡轉(zhuǎn)向的前半程，LTR曲線處于增長階段，且變化相對比較平緩；在轉(zhuǎn)向的后半階段，LTR數(shù)值整體較高且曲線出現(xiàn)了非常明顯的波動，說明斜坡轉(zhuǎn)向的后半階段，工程車輛的穩(wěn)定性很差.當抗側(cè)滾扭桿剛度增加到1.50 MN·m/rad時，原本比較尖銳的曲線形狀變得圓滑，且峰值降低在0.8以下，抗側(cè)滾扭桿起到了一定的防翻效果.當扭桿剛度在2.00 MN·m/rad和2.1 5 MN·m/rad時，LTR曲線的峰谷會增多，峰值接近0.9，側(cè)傾穩(wěn)定性下降，此時有傾翻的危險.

通過以上3種典型行駛方式的結(jié)果分析可知，當扭桿剛度超過2.00 MN·m/rad以后，扭桿機構(gòu)對鉸接工程車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性提升不大，在本研究選取的剛度參數(shù)中，扭桿彈簧剛度為1.50 MN·m/rad時，可以有效地降低鉸接工程車輛的LTR值，此時LTR曲線相比于其他取值更加平順.因此，抗側(cè)滾扭桿的剛度取值為1.50 MN·m/rad.

2.4 尺寸確定

當扭桿彈簧的剛度大于2.00 MN·m/rad時，本機構(gòu)對車輛的側(cè)向穩(wěn)定性提升不大，甚至還有相反的作用，因此選取剛度為1.50 MN·m/rad.

圓形扭桿彈簧類型的抗側(cè)滾扭桿所產(chǎn)生的變形，其扭桿彈簧吸收的變形能為[11]，

(2)

式中，L為有效長度，/mm；A為橫截面積,/mm2；G為剪切模量,/Pa；τmax為最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,/Pa；λ為合理性系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗系數(shù)N=1.25.

求解得到直徑d=19.78mm，確定直徑d=20 mm.

最終確定尺寸結(jié)構(gòu)如圖10所示，扭桿彈簧的極限長度為1 000 mm，扭臂為300 mm.

圖10 抗側(cè)滾扭桿結(jié)構(gòu)尺寸圖

3 抗側(cè)滾扭桿有限元分析及安全性評價

3.1 抗側(cè)滾扭桿有限元模型建立

為提高有限元仿真分析的效率，本研究對模型進行了簡化處理，利用剛性圓環(huán)與扭桿彈簧的間隙配合限制扭桿彈簧上下平動和徑向形變，兩圓環(huán)的堆離代表扭桿彈簧的有效長度.選用50CrVA為扭桿材料，其彈性模量為206GPa，泊松比ν為0.3，密度為7.85 g/cm3.

網(wǎng)格劃分方采用全六面體劃分，并在接觸位置進行加密處理，最終劃分網(wǎng)格如圖11所示.

圖11 抗側(cè)滾扭桿網(wǎng)格劃分

3.2 抗側(cè)滾扭桿靜力學分析

3.2.1 抗側(cè)滾扭桿載荷設(shè)定

如圖12所示，當擺動橋繞銷軸旋轉(zhuǎn)到極限位置，連桿安裝位置的位移為55.3 mm.因此，將載荷設(shè)定為是扭臂桿位移為55 mm時的載荷.

圖12 擺動橋極限位置示意圖

3.2.2 抗側(cè)滾扭桿結(jié)果分析

抗側(cè)滾扭桿最終分析結(jié)果如下圖13所示.

由圖13可以看出，圓環(huán)結(jié)構(gòu)使得抗側(cè)滾扭桿所受的載荷轉(zhuǎn)化成扭桿的扭轉(zhuǎn)形變.在扭桿彈簧承受扭矩最大的工況下，其最大Von Mises應(yīng)力為861.3MPa.50CrVA彈簧鋼經(jīng)過淬火、噴丸、預扭等工藝處理之后，其抗拉強度σb≥1 274MPa、屈服強度σs≥1 127MPa，其許用應(yīng)力可以達到1 000～1 050MPa之間.在實際使用中為安全起見，許用應(yīng)力一般選為900MPa，安全系數(shù)為1.25.

圖13 有效長度為980 mm扭桿應(yīng)力分布圖

3.3 沖擊載荷分析

斜坡轉(zhuǎn)向輪胎受力變化曲線如圖14所示.

圖14 斜坡轉(zhuǎn)向輪胎受力變化曲線圖

提取虛擬樣車中的輪轂受力分析，圖中藍色部分為左輪，紅色部分為右輪，在7.5s時刻以及13.5s時刻，左右輪胎受力發(fā)生了畸變,表明在工程車輛此時擺動橋受到了一個沖擊載荷.將沖擊載荷導入ABAQUS有限元模型中分析結(jié)果如圖15所示.應(yīng)力分布規(guī)律與靜載受力分布類似，其最大的區(qū)域位于扭桿彈簧和扭臂連接處，如圖15所示的紅色區(qū)域，最大值達到878.7MPa，小于許用應(yīng)力900MPa，屬于安全范疇.

圖15 沖擊載荷下抗側(cè)滾扭桿機構(gòu)應(yīng)力分布云圖

3.4 抗側(cè)滾扭桿疲勞分析

3.4.1 Workbench(軟件)疲勞分析設(shè)置

由于扭桿經(jīng)常反復受到扭動和沖擊，長時間使用材料受到疲勞影響，Workbench作為目前比較成熟的疲勞分析軟件[11-14]，可以將靜載分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為動載分析，其使用方便、結(jié)果準確.本研究選用Workbench軟件對抗側(cè)滾機構(gòu)進行疲勞分析.

3.4.2 S-N曲線設(shè)定

50CrVA經(jīng)過淬火+中溫回火(QT)熱處理之后的結(jié)果，將文獻【13】中所實驗的50CrVA曲線作為仿真分析數(shù)據(jù)，輸入到軟件Workbench當中.

3.4.3 結(jié)果及分析

1)壽命分析

壽命云圖顯示的為抗側(cè)滾扭桿失效時的循環(huán)次數(shù)，如圖16顯示.最大壽命值可以達到106以上，屬于高周疲勞；大部分區(qū)域在108以上，屬于永久疲勞；最小疲勞壽命為1.517×107，滿足設(shè)計要求.

圖16 壽命云圖

2)損傷分析

損傷云圖如圖17所示.由于大部分區(qū)域的損傷數(shù)值遠遠小于1，因此，在設(shè)計壽命使用的周期內(nèi)，一般不會發(fā)生損傷.

圖17 損傷云圖

3)安全系數(shù)分析

安全系數(shù)云圖如圖18所示，最大安全系數(shù)SF值是15，最小安全系數(shù)SF值為1.243，大于結(jié)構(gòu)設(shè)計要求1.1，屬于安全級別.

圖18 安全系數(shù)云圖

4 結(jié) 論

為提高國產(chǎn)某型的餃接工程車輛側(cè)傾穩(wěn)定性，本研究設(shè)計了一款抗側(cè)滾扭桿，并對其防翻機構(gòu)進行了力學分析及安全性評價.利用ABAQUS軟件對抗側(cè)滾扭桿翻機構(gòu)進行了靜力學分析及沖擊載荷分析，其沖擊載荷最大等效應(yīng)力為878.7 MPa，符合設(shè)計需求.利用ANSYS Workbench對抗側(cè)滾扭桿防翻機構(gòu)進行了疲勞分析，結(jié)果表明，本設(shè)計結(jié)構(gòu)的最小疲勞壽命為1.517×107，在絕大部分區(qū)域損傷數(shù)值遠小于1，最小安全系數(shù)為1.243，均符合設(shè)計要求，所設(shè)計抗側(cè)滾扭桿防翻機構(gòu)安全可靠.