轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)的分析及改進

劉 平, 黃建剛, 林孟光, 朱巖朋

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.山東省新能源客車安全與節(jié)能重點實驗室, 山東 聊城 252000)

客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕駛員操縱汽車的主要機構(gòu)[1],同時,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還關(guān)系到整車的舒適性、操縱性及安全性,是客車關(guān)鍵部件之一。在很多時候,轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的結(jié)構(gòu)強度和剛度會直接影響整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,在進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計時,要充分考慮其強度和剛度要求[2]。

本文運用有限元前處理軟件 HyperMesh、求解器Optistruct和后處理軟件HyperView 對某款旅團車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的安裝支架進行建模、模型處理、劃分網(wǎng)格、施加載荷約束及仿真分析[3-6],并進行結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化。從而在設(shè)計期間發(fā)現(xiàn)問題并解決問題,保證實車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)強度和剛度。

1 轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)相關(guān)介紹

1.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求

目前,關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有QC/T 649—2013《汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)性能要求及試驗方法》[7],其中規(guī)定轉(zhuǎn)向管柱角度及高度調(diào)節(jié)保持力不小于490 N,同時轉(zhuǎn)向管柱安裝支架也需要滿足此要求。但是現(xiàn)實中部分有不良駕駛習(xí)慣的駕駛員經(jīng)常倚靠或按壓方向盤,導(dǎo)致支架變形量大或破壞,影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全使用。本文在方向盤邊緣施加750 N的垂直載荷進行仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.2 轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng)的安裝布置

客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向管柱、方向盤、安裝支架等部件組成,其安裝示意圖如圖1所示[8]。

圖1 客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝示意圖

2 原支架的有限元分析

2.1 模型建立

在CATIA軟件中建立轉(zhuǎn)向管柱安裝支架及相關(guān)骨架的三維幾何模型,再將該三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hypermesh軟件中建立有限元CAE仿真模型[9-11]。在建模過程中,模型進行合理簡化。網(wǎng)格劃分時,骨架的各個部件采用5 mm的四邊形殼單元,骨架各個構(gòu)件通過共節(jié)點進行連接。轉(zhuǎn)向管柱安裝螺栓孔通過RBE2單元模擬轉(zhuǎn)向管柱與安裝支架的連接關(guān)系。故本文主要研究轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的剛度和強度,為了避免轉(zhuǎn)向管柱和方向盤影響仿真結(jié)果,現(xiàn)直接對轉(zhuǎn)向管柱安裝處的RBE2單元共節(jié)點施加375 000 N·mm的彎矩。轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的材料為510L,其屈服極限為345 MPa。

2.2 原支架的有限元分析結(jié)果

仿真應(yīng)力分布如圖2所示。轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的最大應(yīng)力為154.2 MPa,出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向管柱安裝支架與型鋼連接處,低于材料的屈服極限345 MPa。說明該安裝支架滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求[12-13]。

圖2 原支架的應(yīng)力云圖

仿真變形分布如圖3所示,最大變形量為3.1515 mm。QC/T 649—2013《汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)性能要求及試驗方法》中的剛性要求:垂直方向彎曲變形量不大于0.5 mm和橫向彎曲變形量不大于1 mm[7]。所以原支架結(jié)構(gòu)的最大變形量不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 原支架的位移云圖

3 支架結(jié)構(gòu)改進及效果

3.1 結(jié)構(gòu)改進方案

針對原支架實際應(yīng)用情況和仿真結(jié)果,對支架進行結(jié)構(gòu)改進,提高支架的可靠性。具體結(jié)構(gòu)改進方案如下:

1) 增加加強板,材料為Q235。在L型安裝支架拐角處增加2塊三角板進行加強,規(guī)格為60 mm×60 mm×5 mm。改進目的是加強骨架結(jié)構(gòu),減小應(yīng)力集中,提高安全系數(shù)。

2) 增加連接型鋼,材料為Q235。在安裝支架前立面與前圍骨架之間增加型鋼連接,減小變形量,提高安裝結(jié)構(gòu)的剛度。

原支架與改進后支架對比如圖4所示。

(a)原支架

(b)改進后支架圖4 原支架與改進后支架對比圖

3.2 改進效果

結(jié)構(gòu)改進后的應(yīng)力分布如圖5所示,最大應(yīng)力值為136.2 MPa,安全系數(shù)為2.5。結(jié)構(gòu)改進后的變形分布如圖6所示,最大變形量為0.477 5 mm,滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 改進后支架的應(yīng)力云圖

圖6 改進后支架的位移云圖

轉(zhuǎn)向管柱安裝支架改進前后的相關(guān)參數(shù)見表1。由表1可知,改進后安裝支架最大應(yīng)力降低幅度達11.6%;最大變形量減小幅度達84.8%。改進后轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的各項參數(shù)均優(yōu)于原支架。

表1 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架改進前后的各項參數(shù)對比

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用有限元方法對客車轉(zhuǎn)向管柱安裝支架進行結(jié)構(gòu)強度和剛度的仿真分析。根據(jù)仿真分析結(jié)果,對結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計,改進后的結(jié)構(gòu)強度和剛度均獲得較好的改善效果。目前優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于旅團客車,有效地提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度和操作穩(wěn)定性,并為國內(nèi)城市客車車型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)和參考。