基于ANSYS的某特種汽車轉向彎接頭斷裂分析

王曉，王倩倩

(泰安航天特種車有限公司,山東泰安 271000)

0 引言

在汽車轉向系統(tǒng)中，汽車零部件起著至關重要的作用，汽車零部件的材料選型、結構的設計與工藝制造均為重中之重。零部件的選用材料應當滿足汽車行駛時的受力需求，設計結構應當避免出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，工藝制造應當盡量避免制造缺陷的產(chǎn)生。文中對某特種汽車產(chǎn)生的質量問題進行了分析，提出了在進行零部件設計時的一些注意事項，供行業(yè)內人士進行參考。

1 汽車轉向系統(tǒng)介紹

汽車在行駛過程中，需要經(jīng)常改變行駛方向，即進行汽車轉向，為了實現(xiàn)轉向功能，車輛設置一套用于轉向的機構，可以帶動轉向輪轉動，這一套專設機構就是汽車轉向系統(tǒng)。

某特種汽車轉向系統(tǒng)為液壓助力機械傳動式，前兩橋轉向模式，轉向縱拉桿系如圖1所示。機械傳動系統(tǒng)包括方向盤、轉向管柱、方向機、轉向垂臂1、轉向縱拉桿系、轉向橫拉桿系，均由不同零部件構成，轉向彎接頭位于轉向縱拉桿系，負責連接一橋、二橋轉向搖臂，彎接頭材料為ZG270，屈服強度為270 MPa，彎接頭的抗拉強度應滿足受力要求。

圖1 某特種汽車轉向縱拉桿系

2 問題描述及故障件分析

某重型特種汽車在試車時發(fā)現(xiàn)，二橋轉向輪轉向失效，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)轉向縱拉桿2中的零部件彎接頭發(fā)生斷裂(圖2)，其斷裂位置為螺紋連接部分，從而轉向縱拉桿桿系傳動中斷，導致轉向失效。為了進一步分析彎接頭斷裂原因，對彎接頭斷口進行局部放大，斷口形貌如圖3所示，由圖可以看出斷裂處表面加工較為粗糙，螺紋斷面局部位置可見鑄造疏松缺陷，并且斷裂位置螺紋加工痕跡較為粗糙。

圖2 彎接頭斷裂現(xiàn)場

圖3 斷口局部放大形貌

對故障件彎接頭進行局部取樣機械性能化驗，化驗結果表明該故障件屈服強度小于270 MPa，抗拉強度小于500 MPa，比GB 11352—2009《一般工程用鑄造碳鋼件》的國家標準要求較低，斷口微觀分析如圖4所示。

圖4 斷口微觀分析

斷口微觀分析圖顯示，局部組織比較粗糙，且存在氣孔等缺陷。通過分析彎接頭斷裂件，初步懷疑彎接頭斷裂原因為其存在鑄造缺陷，為了進一步分析彎接頭斷裂原因，對不同轉向工況下彎接頭的受力進行計算，并對彎接頭所受應力進行分析。

3 故障件受力計算

某特種汽車采用的轉向器類型為半整體式轉向器，在車輛正常行駛轉向時，一、二橋助力油缸產(chǎn)生的助力作用克服一、二橋車輪轉向阻力，以保證一橋及二橋轉角符合車輛轉向運動學規(guī)律。當轉向至極限位置時，系統(tǒng)壓力上升至最大值，油缸產(chǎn)生的力矩會大于原地阻力矩，多余的力矩傳遞至拉桿，由拉桿承受。

單個轉向橋轉向阻力矩的計算公式為：

(1)

式中：為車輛與地面之間的摩擦因數(shù)；

為前橋負載；

為輪胎氣壓。

轉向油缸運動產(chǎn)生力矩的計算公式為：

=··cos。

(2)

式中:為油缸力;

為油缸力臂;

為油缸與油缸力臂夾角。

縱拉桿2所受力矩的計算公式為：

=-。

(3)

經(jīng)計算，不同工況下轉向縱拉桿的受力值見表1。

表1 不同工況下轉向縱拉桿的受力值 單位:N

由表1可看出，某特種汽車轉向縱拉桿最大受力工況為一橋懸空、二橋達到左轉極限，此時縱拉桿受力值為33.9 N，考慮到所有工況的適用性，取最大應力值33.9 N進行受力分析。

4 彎接頭應力分析

斷裂彎接頭材料為ZG270，屈服強度為270 MPa。將彎接頭作為二力桿，在ANSYS中建模后進行受力分析，結果如圖5所示。

圖5 彎接頭受力分析結果

由ANSYS分析結果可知，轉向彎接頭所受最大應力值為803.52 MPa，ZG270彎接頭材料性能明顯不符合某特種汽車轉向要求，故而在特殊工況下發(fā)生斷裂現(xiàn)象，為了消除彎接頭斷裂質量問題，需要對彎接頭進行優(yōu)化設計。

5 結構材料優(yōu)化

部分材料的力學性能見表2。由表2可知，42CrMo的屈服強度最高，達到930 MPa，是最理想的彎接頭材料。

表2 部分材料的力學性能 單位:MPa

為了降低彎接頭受力，并提高彎接頭的抗拉強度，將彎接頭材料更改為42CrMo，以避免鑄造缺陷帶來的斷裂風險，并優(yōu)化其結構，將應力集中點后移。在ANSYS中進行應力分析，分析結果如圖6所示。

圖6 彎接頭優(yōu)化后受力分析結果

由ANSYS分析結果可知，優(yōu)化設計后的彎接頭最大受力點受力值降低為349.37 MPa，滿足42CrMo材料的力學性能，并且縱拉桿受力符合某特種汽車轉向要求。

6 試驗驗證

為了進一步驗證ANSYS仿真計算結果的準確性，將優(yōu)化后的某特種汽車彎接頭進行裝車驗證，并對彎接頭所受應力值進行實際測量。具體操作為：在彎接頭不同部位貼應力片，進行不同轉向工況的模擬試驗，應力值可以通過測量儀器進行輸出。所測得的應力值如圖7至10所示，為保證測量結果的準確性，每個工況進行3次試驗進行驗證。

由圖7可知，某特種汽車原地進行左轉向時，3次試驗結果有少許偏差，應力值最大在7#測試點，此點位于ANSYS分析結果的最大應力點附近，最大應力值為85 MPa，此時彎接頭受力滿足材料性能。

圖7 原地左轉試驗結果

由圖8可知，某特種汽車原地進行右轉向時，應力值最大在7#測試點，最大應力值為140 MPa，此時彎接頭受力滿足材料性能。

圖8 原地右轉試驗結果

由圖9可知，某特種汽車前進左轉至極限位置時，應力值最大在7#測試點，最大應力值為140 MPa，此時彎接頭受力滿足材料性能。

圖9 前進左轉試驗結果

由圖10可知，某特種汽車前進右轉至極限位置時，應力值最大在7#測試點，應力值最大為60 MPa，此時彎接頭受力滿足材料性能。

圖10 前進右轉試驗結果

現(xiàn)場應力測試結果表明，轉向縱拉桿所受最大應力值為140 MPa，應力測試結果與有限元分析結果相近，安全系數(shù)約為2.51，滿足某特種車的轉向行駛要求。

7 結語

文中針對某特種汽車轉向彎接頭斷裂問題，對彎接頭受力情況進行計算，并運用ANSYS有限元對彎接頭進行受力分析，分析結果顯示彎接頭不滿足受力需要，后續(xù)對彎接頭材料及結構優(yōu)化后，經(jīng)過軟件分析及試驗驗證，轉向彎接頭可以滿足某特種車的行駛要求，這對某些具有相似結構的特種汽車彎接頭結構及材料的選用提供了數(shù)據(jù)支持，并對其拉桿材料及結構的選用起指導意義?？傊?，在設計拉桿時，應優(yōu)先選用抗拉強度大的合金材料，如40Cr、42 CrMo、35CrMo等，另外在工藝制造方面，應優(yōu)先選用鍛件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄件，來減少鑄造缺陷帶來的質量問題。