摘要：以应用于某型特种底盘上的转向节臂为研究对象，根据使用工况进行极限工况下的受力分析，确定仿真分析的边界条件，静强度仿真结果表明：在极限工况下原结构焊缝处安全系数较低，存在破坏的可能。通过局部设计改进，大幅提升转向节臂的结构强度，满足极限工况下的使用要求。最终通过测试应力值验证设计改进的有效性。
关键词：特种底盘转向节臂;结构优化;仿真
1引言
汽车行驶过程中由于路况的变化，难免需要改变行驶方向，而行驶方向的改变和保持主要通过汽车转向系统实现。转向系统和正确的车轮定位可以保证汽车按照驾驶员的需求方向行驶。
转向系统[1]一般由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。其中转向操纵机构由转向盘、转向管柱等组成。
本文研究的某型特种底盘的转向系统是由方向盘、伸缩轴、转向器、转向垂臂、直拉杆、转向右节臂、横拉杆连杆、左/右横拉杆、转向左节臂等组成。如图1所示。
图1 转向操纵传动机构
1 方向盘 2 伸缩轴 3 转向器 4 转向垂臂 5 直拉杆 6转向右节臂 7 左横拉杆 8左横拉杆臂 9 转向左节臂 10横拉杆连杆总成 11右横拉杆臂 12右横拉杆
本文通过对转向右节臂处受力进行仿真分析，确认结构优化的有效性。
2 受力分析
车辆转向运动过程中所有的外力都是地面给的，而且是唯一的。转向系统的转向力主要用于克服转向阻力矩以实现转向[2]。而所有使用工况中原地转向时，轮胎与地面之间的阻力矩是一般行驶转向时的2~3倍[3]，因此用原地转向的阻力矩作为极限工况。
原地转向阻力矩可采用经验公式[4]进行计算：
原地转向阻力矩=
式中，f为路面摩擦系数取0.7，G1为转向轴负荷[5]，p为轮胎气压
单边轮胎的原地阻力矩为6152.5N.m。
左转极限时，右转向节臂处受力情况如图2所示，其中F1为直拉杆对转向节臂的拉力，F2为横拉杆对转向节臂的拉力，F3为右横拉杆对转向节臂的推力。
图2 杆系受力示意图
通过力及力矩平衡计算可知：
F1=27590.3N；
F2=4362.1N；
F3=16804.7N。
右转极限时，受力情况如图3所示。
图3 杆系受力示意图
经计算 F1=26123.7N；
F2=7255N；
F3=13401N。
由上面计算可知，最大应力发生在左转极限时。后面对左转极限时的受力情况进行仿真计算。
3 仿真分析
3.1改进前仿真分析
对改进前的转向右节臂进行有限元计算分析，经计算分析后，左转到极限时，转向右节臂受力最大，有限元计算最大应力值为300MPa；转向右臂焊合材料为Q345钢板，经查机械设计手册，其屈服强度为345MPa，安全系数为1.15。如果按照三级焊缝计算，三级焊缝取系数为0.7，转向右臂安全系数为0.8。安全系数裕量小。有限元分析计算结果见图4。
图4 原始方案有限元分析计算
3.2设计改进
为了提高结构强度，对该结构进行优化。对转向右节臂焊合运动空间进行校核，在空间允许的前提下，将摇臂下移，与下边的横拉杆臂焊接在一起，具体机构见图5转向右节臂改后形式：
图5 转向右臂改后形式
3.3改进后仿真分析
对改进后的模型进行有限元计算分析，经计算分析后，去除尖点248.34MPa及尖点附近受力（受挤压力），左转至极限时，有限元计算所受最大应力值，最大应力值为156.93MPa，如图6所示。
图6 有限元计算结果
所用材料为摇臂为Q345材料，钢管为35#钢材料。屈服极限以345MPa进行计算，整个零部件安全系数为2.2，二级焊缝，焊接接头抗拉强度取母材抗拉强度下限值的80%，安全系数为1.76。经查机械设计，转向节臂安全系数一般取1.5～2.1，满足设计使用要求。
4 试验验证
为了进一步验证改进的有效性，对测试车辆转向系统在满载时进行原地左转时的应力进行测量。各应力点设置如表1所示。
表1各应力应变测点对应测点位置说明
测点编号 |
测点位置 |
应变片类型 |
1 |
拉杆前端球头侧面 |
45°三向应变片 |
2 |
纵拉杆前端上平面 |
|
3 |
纵拉杆后端上平面 |
|
4 |
拉杆后端球头侧面 |
|
5 |
拉杆后球头后弧面 |
|
6 |
支撑轴与摇臂上端焊缝 |
|
7 |
支撑轴与摇臂下端焊缝 |
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8 |
摇臂与横拉杆臂加强板焊缝处 |
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9 |
摇臂、加强板与横拉杆臂焊缝处 |
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10 |
摇臂与拉杆连接处 |
|
11 |
纵拉杆前端内弯处 |
|
12 |
纵拉杆后端内弯处 |
测量结果如表2所示。
表2 各测点应力值(单位：MPa)
测点编号 |
混凝土地面-原地转向 |
矸石铺装路-原地转向 |
最小左转弯 |
最小右转弯 |
随机跑车 |
1 |
59.64 |
55.71 |
53.45 |
38.27 |
24.35 |
2 |
45.80 |
43.65 |
41.73 |
19.29 |
15.87 |
3 |
32.83 |
31.42 |
26.96 |
16.58 |
9.35 |
4 |
66.25 |
69.28 |
33.06 |
49.90 |
32.03 |
5 |
130.12 |
125.79 |
52.91 |
103.18 |
62.68 |
6 |
94.83 |
93.42 |
94.41 |
29.24 |
20.01 |
7 |
54.10 |
55.65 |
51.14 |
26.80 |
14.47 |
8 |
81.34 |
79.93 |
76.70 |
43.83 |
21.54 |
9 |
149.50 |
145.17 |
132.29 |
94.58 |
46.66 |
10 |
143.43 |
141.70 |
142.36 |
113.59 |
68.74 |
11 |
44.05 |
61.71 |
13.849 |
51.577 |
17.56 |
12 |
69.945 |
78.51 |
8.154 |
68.799 |
33.47 |
经分析实验数据，有限元分析受力趋势与试验结果趋势相同。1、4、5为球头受力，2、3号点为拉杆受力。球头适用载荷为85kN，5号点受力最大130.12MPa，远低于适用载荷，球头满足使用设计要求。在正常跑车、稳态回转等工况时，转向右臂最大应力值为142.36MPa，位于拉杆与摇臂连接处位置；在极限工况下，即：驻车制动未解除，原地打方向至左右极限，并保持3s，转向右臂最大应力值为149.5MPa，位于摇臂与横拉杆臂连接处位置。转向右臂中摇臂及横拉杆臂所用材料为Q345材料，屈服极限以345MPa，在正常工况时，安全系数为2.42，二级焊缝，焊接接头抗拉强度取母材抗拉强度下限值的80%，安全系数为1.94。经查机械设计，转向节臂安全系数一般取1.5～2.1，满足设计使用要求；在极限情况下，安全系数为2.31，二级焊缝，焊接接头抗拉强度取母材抗拉强度下限值的80%。安全系数为1.85，满足使用设计要求。
5 结束语
本文应用有限元软件对特种汽车转向右节臂受力进行分析，得到以下结论：
1) 原转向右节臂在原地左转极限时，安全系数较低，不满足设计手册要求；
2) 对转向右节臂进行设计改进后，结构安全系数明显提高，能搞满足使用要求；
3) 对改进后的结构进行极限工况应力测试，实际应力结果与仿真计算结果相当，同时证明了结构优化及仿真分析的有效性。
参考文献：
[1] 王盛良. 汽车底盘构造与检修技术（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社，2016.
[2] 陆进添，刘丹，邓安田. 剪叉式高空车转向机构结构分析[J].机械工程师,2020(3): 154-156.
[3] 任晓力.梭车转向机构的力学分析[J]. 煤炭技术：机械工业出版社，2020（3）：183-185.
[4] 汽车工程手册.设计篇[M]. 北京：人民交通出版社，2001,11.
[5] 缪东辉, 马张健, 李佳圣,等. 导弹运输装填发射车吊装稳定性仿真研究[J]. 空天防御, 2018, 1(4): 58-64.
第一作者简介：
马张健 男 （1986—），江苏海门人，高级工程师，硕士研究生。工作单位：上海机电工程研究所。专业方向：车辆集成、结构设计与仿真分析。