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(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710300)

0 引 言

鉸接型工程車輛作為一種常見(jiàn)的工程機(jī)械，憑借其載重量大、越野能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)的限制，在行駛過(guò)程中，整車重心會(huì)隨著車體轉(zhuǎn)向而變化，導(dǎo)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(jì)損失，嚴(yán)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(hù)裝置以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)防護(hù)，或者是通過(guò)傳感器等手段實(shí)現(xiàn)提前警報(bào)，提醒駕駛?cè)藛T安全操作.但以上措施并沒(méi)有解決車輛整車的穩(wěn)定性問(wèn)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(guó)產(chǎn)某型鉸接工程車輛前擺動(dòng)橋設(shè)計(jì)安裝了一種抗側(cè)滾扭桿作為鉸接工程車輛的防翻機(jī)構(gòu)，開(kāi)展扭桿彈簧結(jié)構(gòu)變化對(duì)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(shí)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(jí)扭桿，該單級(jí)扭桿具體由一根扭桿彈簧兩側(cè)各連接一根扭臂，通過(guò)連桿與固定車架處連接組成.扭桿彈簧左右兩端可以通過(guò)花鍵連接，或者過(guò)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(guò)橡膠關(guān)節(jié)連接在車體支撐座上[2-4].

圖1 扭桿運(yùn)動(dòng)原理示意圖

當(dāng)擺動(dòng)橋發(fā)生相對(duì)擺動(dòng)時(shí)，圖1中的連桿受到壓力作用而產(chǎn)生垂直方向的運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)扭臂相對(duì)于扭桿彈簧將會(huì)一對(duì)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(gè)力矩M，用于抵抗車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，以此抑制車體的側(cè)傾運(yùn)動(dòng).擺動(dòng)橋空間布局如圖2所示.

圖2 擺動(dòng)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(dòng)橋在目前仍然有±15°左右的擺動(dòng)范圍，本研究建立1:1的前車體、駕駛室與前擺動(dòng)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(jī)構(gòu)，最終安裝方案如圖3所示.

圖3 抗側(cè)滾扭桿防翻機(jī)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(jī)模型建立

由于車體外形尺寸對(duì)最終的仿真結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本研究對(duì)整車外形進(jìn)行了大幅度簡(jiǎn)化.只需要有安裝位置坐標(biāo)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，具體如圖4所示.

圖4 虛擬樣機(jī)車身子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 側(cè)傾穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用橫向載荷轉(zhuǎn)移率(Lateral Load Transfer Ratio，簡(jiǎn)稱LTR)作為車輛側(cè)傾穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]，其具體含義為：?jiǎn)胃囕S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(duì)值，即，

(1)

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

當(dāng)車輛行駛時(shí)，由于車身晃動(dòng)或者轉(zhuǎn)向行駛過(guò)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(dāng)LTR=0時(shí)，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(dāng)LTR=1時(shí)，車輛的某一側(cè)車輪與地面沒(méi)有相互作用力(可理解為離地現(xiàn)象)，此刻則認(rèn)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(lái)越差.因此，LTR是一種常用的且能有效反映車輛側(cè)翻危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)指標(biāo).

通過(guò)LTR計(jì)算公式，將計(jì)算過(guò)程創(chuàng)建如圖5的MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)[7]，以計(jì)算整車在行駛過(guò)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(lái)評(píng)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(guò)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(shí)，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(shí)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(shí)，LTR曲線表現(xiàn)更加平緩，峰值逐漸降低，此時(shí)傾穩(wěn)定性有一定程度地提高，如圖7所示，當(dāng)扭桿剛度超過(guò)2.00 MN·m/rad時(shí)，LTR曲線峰值上揚(yáng)，此時(shí)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(dāng)車輛向上轉(zhuǎn)向時(shí)，整車向外側(cè)的離心現(xiàn)象最為明顯，導(dǎo)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(shí)LTR變化曲線

據(jù)圖9可知，斜坡轉(zhuǎn)向峰值超過(guò)0.8時(shí)表明斜坡行駛比平地行駛更加危險(xiǎn).在斜坡轉(zhuǎn)向的前半程，LTR曲線處于增長(zhǎng)階段，且變化相對(duì)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(dòng)，說(shuō)明斜坡轉(zhuǎn)向的后半階段，工程車輛的穩(wěn)定性很差.當(dāng)抗側(cè)滾扭桿剛度增加到1.50 MN·m/rad時(shí)，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(dāng)扭桿剛度在2.00 MN·m/rad和2.1 5 MN·m/rad時(shí)，LTR曲線的峰谷會(huì)增多，峰值接近0.9，側(cè)傾穩(wěn)定性下降，此時(shí)有傾翻的危險(xiǎn).

通過(guò)以上3種典型行駛方式的結(jié)果分析可知，當(dāng)扭桿剛度超過(guò)2.00 MN·m/rad以后，扭桿機(jī)構(gòu)對(duì)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(shí)，可以有效地降低鉸接工程車輛的LTR值，此時(shí)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(dāng)扭桿彈簧的剛度大于2.00 MN·m/rad時(shí)，本機(jī)構(gòu)對(duì)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(zhǎng)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(yàn)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(zhǎng)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(píng)價(jià)

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(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)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(dòng)和徑向形變，兩圓環(huán)的堆離代表扭桿彈簧的有效長(zhǎng)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(jìn)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(xué)分析

3.2.1 抗側(cè)滾扭桿載荷設(shè)定

如圖12所示，當(dāng)擺動(dòng)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(shí)的載荷.

圖12 擺動(dòng)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(guò)淬火、噴丸、預(yù)扭等工藝處理之后，其抗拉強(qiáng)度σb≥1 274MPa、屈服強(qiáng)度σs≥1 127MPa，其許用應(yīng)力可以達(dá)到1 000～1 050MPa之間.在實(shí)際使用中為安全起見(jiàn)，許用應(yīng)力一般選為900MPa，安全系數(shù)為1.25.

圖13 有效長(zhǎng)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(lán)色部分為左輪，紅色部分為右輪，在7.5s時(shí)刻以及13.5s時(shí)刻，左右輪胎受力發(fā)生了畸變,表明在工程車輛此時(shí)擺動(dòng)橋受到了一個(gè)沖擊載荷.將沖擊載荷導(dǎo)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(dá)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(jī)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(fù)受到扭動(dòng)和沖擊，長(zhǎng)時(shí)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(dòng)載分析，其使用方便、結(jié)果準(zhǔn)確.本研究選用Workbench軟件對(duì)抗側(cè)滾機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析.

3.4.2 S-N曲線設(shè)定

50CrVA經(jīng)過(guò)淬火+中溫回火(QT)熱處理之后的結(jié)果，將文獻(xiàn)【13】中所實(shí)驗(yàn)的50CrVA曲線作為仿真分析數(shù)據(jù)，輸入到軟件Workbench當(dāng)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(shí)的循環(huán)次數(shù)，如圖16顯示.最大壽命值可以達(dá)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(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，因此，在設(shè)計(jì)壽命使用的周期內(nèi)，一般不會(huì)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(jì)要求1.1，屬于安全級(jí)別.

圖18 安全系數(shù)云圖

4 結(jié) 論

為提高國(guó)產(chǎn)某型的餃接工程車輛側(cè)傾穩(wěn)定性，本研究設(shè)計(jì)了一款抗側(cè)滾扭桿，并對(duì)其防翻機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析及安全性評(píng)價(jià).利用ABAQUS軟件對(duì)抗側(cè)滾扭桿翻機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)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(jì)需求.利用ANSYS Workbench對(duì)抗側(cè)滾扭桿防翻機(jī)構(gòu)進(jìn)行了疲勞分析，結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)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(yuǎn)小于1，最小安全系數(shù)為1.243，均符合設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)抗側(cè)滾扭桿防翻機(jī)構(gòu)安全可靠.