基于ANSYS的某特種汽車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)中，汽車零部件起著至關(guān)重要的作用，汽車零部件的材料選型、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與工藝制造均為重中之重。零部件的選用材料應(yīng)當(dāng)滿足汽車行駛時(shí)的受力需求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，工藝制造應(yīng)當(dāng)盡量避免制造缺陷的產(chǎn)生。文中對(duì)某特種汽車產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)的一些注意事項(xiàng)，供行業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行參考。

1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

汽車在行駛過(guò)程中，需要經(jīng)常改變行駛方向，即進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，車輛設(shè)置一套用于轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)，可以帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這一套專設(shè)機(jī)構(gòu)就是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

某特種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為液壓助力機(jī)械傳動(dòng)式，前兩橋轉(zhuǎn)向模式，轉(zhuǎn)向縱拉桿系如圖1所示。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括方向盤(pán)、轉(zhuǎn)向管柱、方向機(jī)、轉(zhuǎn)向垂臂1、轉(zhuǎn)向縱拉桿系、轉(zhuǎn)向橫拉桿系，均由不同零部件構(gòu)成，轉(zhuǎn)向彎接頭位于轉(zhuǎn)向縱拉桿系，負(fù)責(zé)連接一橋、二橋轉(zhuǎn)向搖臂，彎接頭材料為ZG270，屈服強(qiáng)度為270 MPa，彎接頭的抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足受力要求。

圖1 某特種汽車轉(zhuǎn)向縱拉桿系

2 問(wèn)題描述及故障件分析

某重型特種汽車在試車時(shí)發(fā)現(xiàn)，二橋轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向失效，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向縱拉桿桿系傳動(dòng)中斷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向失效。為了進(jìn)一步分析彎接頭斷裂原因，對(duì)彎接頭斷口進(jìn)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(jiàn)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(chǎng)

圖3 斷口局部放大形貌

對(duì)故障件彎接頭進(jìn)行局部取樣機(jī)械性能化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果表明該故障件屈服強(qiáng)度小于270 MPa，抗拉強(qiáng)度小于500 MPa，比GB 11352—2009《一般工程用鑄造碳鋼件》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guò)分析彎接頭斷裂件，初步懷疑彎接頭斷裂原因?yàn)槠浯嬖阼T造缺陷，為了進(jìn)一步分析彎接頭斷裂原因，對(duì)不同轉(zhuǎn)向工況下彎接頭的受力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)彎接頭所受應(yīng)力進(jìn)行分析。

3 故障件受力計(jì)算

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

單個(gè)轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)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(fù)載；

為輪胎氣壓。

轉(zhuǎn)向油缸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力矩的計(jì)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(jì)算公式為：

=-。

(3)

經(jīng)計(jì)算，不同工況下轉(zhuǎn)向縱拉桿的受力值見(jiàn)表1。

表1 不同工況下轉(zhuǎn)向縱拉桿的受力值 單位:N

由表1可看出，某特種汽車轉(zhuǎn)向縱拉桿最大受力工況為一橋懸空、二橋達(dá)到左轉(zhuǎn)極限，此時(shí)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(yīng)力值33.9 N進(jìn)行受力分析。

4 彎接頭應(yīng)力分析

斷裂彎接頭材料為ZG270，屈服強(qiáng)度為270 MPa。將彎接頭作為二力桿，在ANSYS中建模后進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 彎接頭受力分析結(jié)果

由ANSYS分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)向彎接頭所受最大應(yīng)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(zhuǎn)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(zhì)量問(wèn)題，需要對(duì)彎接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化

部分材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2。由表2可知，42CrMo的屈服強(qiáng)度最高，達(dá)到930 MPa，是最理想的彎接頭材料。

表2 部分材料的力學(xué)性能 單位:MPa

為了降低彎接頭受力，并提高彎接頭的抗拉強(qiáng)度，將彎接頭材料更改為42CrMo，以避免鑄造缺陷帶來(lái)的斷裂風(fēng)險(xiǎn)，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，將應(yīng)力集中點(diǎn)后移。在ANSYS中進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 彎接頭優(yōu)化后受力分析結(jié)果

由ANSYS分析結(jié)果可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的彎接頭最大受力點(diǎn)受力值降低為349.37 MPa，滿足42CrMo材料的力學(xué)性能，并且縱拉桿受力符合某特種汽車轉(zhuǎn)向要求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證ANSYS仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將優(yōu)化后的某特種汽車彎接頭進(jìn)行裝車驗(yàn)證，并對(duì)彎接頭所受應(yīng)力值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。具體操作為：在彎接頭不同部位貼應(yīng)力片，進(jìn)行不同轉(zhuǎn)向工況的模擬試驗(yàn)，應(yīng)力值可以通過(guò)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行輸出。所測(cè)得的應(yīng)力值如圖7至10所示，為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)工況進(jìn)行3次試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

由圖7可知，某特種汽車原地進(jìn)行左轉(zhuǎn)向時(shí)，3次試驗(yàn)結(jié)果有少許偏差，應(yīng)力值最大在7#測(cè)試點(diǎn)，此點(diǎn)位于ANSYS分析結(jié)果的最大應(yīng)力點(diǎn)附近，最大應(yīng)力值為85 MPa，此時(shí)彎接頭受力滿足材料性能。

圖7 原地左轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知，某特種汽車原地進(jìn)行右轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)力值最大在7#測(cè)試點(diǎn)，最大應(yīng)力值為140 MPa，此時(shí)彎接頭受力滿足材料性能。

圖8 原地右轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知，某特種汽車前進(jìn)左轉(zhuǎn)至極限位置時(shí)，應(yīng)力值最大在7#測(cè)試點(diǎn)，最大應(yīng)力值為140 MPa，此時(shí)彎接頭受力滿足材料性能。

圖9 前進(jìn)左轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖10可知，某特種汽車前進(jìn)右轉(zhuǎn)至極限位置時(shí)，應(yīng)力值最大在7#測(cè)試點(diǎn)，應(yīng)力值最大為60 MPa，此時(shí)彎接頭受力滿足材料性能。

圖10 前進(jìn)右轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向縱拉桿所受最大應(yīng)力值為140 MPa，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果相近，安全系數(shù)約為2.51，滿足某特種車的轉(zhuǎn)向行駛要求。

7 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)某特種汽車轉(zhuǎn)向彎接頭斷裂問(wèn)題，對(duì)彎接頭受力情況進(jìn)行計(jì)算，并運(yùn)用ANSYS有限元對(duì)彎接頭進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果顯示彎接頭不滿足受力需要，后續(xù)對(duì)彎接頭材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，經(jīng)過(guò)軟件分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，轉(zhuǎn)向彎接頭可以滿足某特種車的行駛要求，這對(duì)某些具有相似結(jié)構(gòu)的特種汽車彎接頭結(jié)構(gòu)及材料的選用提供了數(shù)據(jù)支持，并對(duì)其拉桿材料及結(jié)構(gòu)的選用起指導(dǎo)意義。總之，在設(shè)計(jì)拉桿時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用抗拉強(qiáng)度大的合金材料，如40Cr、42 CrMo、35CrMo等，另外在工藝制造方面，應(yīng)優(yōu)先選用鍛件來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄件，來(lái)減少鑄造缺陷帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題。