張新亞

（安徽江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

基于UG的某款4×2載貨車前橋橫拉桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張新亞

（安徽江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

前橋橫拉桿的合理設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，例如整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性、回正性和可靠性。文章針對市場上某款4×2載貨車的啃胎、跑偏等突出問題，通過UG有限元分析，對前橋橫拉桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便解決前橋啃胎和跑偏等問題。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；啃胎；UG；有限元分析

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.043

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-135-03

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和高速物流行業(yè)的快速發(fā)展，人們對中重型卡車的高可靠的轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)越來越重視，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正性、輕便性和前輪啃胎等都與前輪前束這一參數(shù)有很大關(guān)系，而這一參數(shù)很大程度上取決于前橋橫拉桿的設(shè)計(jì)。橫拉桿是前橋重要的安保件，直接關(guān)系到車輛的轉(zhuǎn)向，對汽車的行駛安全至關(guān)重要。橫拉桿彎曲變形回改變前橋的前束和轉(zhuǎn)向梯形，加速輪胎的磨損，嚴(yán)重時(shí)回導(dǎo)致車輛無法正常行駛，甚至造成轉(zhuǎn)向失控，威脅駕駛員和行人的人身安全。因此橫拉桿必須具有較大的強(qiáng)度儲備系數(shù)。近年來，市場上因前橋橫拉桿彎曲導(dǎo)致的啃胎、跑偏等轉(zhuǎn)向問題的故障數(shù)不斷增加，故本文以提升整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能為目標(biāo)，對前橋橫拉桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、前橋橫拉桿的作用與功能

橫拉桿是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的底邊，右橫拉桿體2和旋裝在兩端的橫拉桿接頭1組成，如圖1（a）所示，兩端的接頭結(jié)構(gòu)相同。兩接頭借螺紋與橫拉桿體聯(lián)接。接頭螺紋部分有切口，故具有彈性。接頭旋裝到橫拉桿體上后，用夾緊螺栓3夾緊。橫拉桿體兩端的螺紋，一為右旋，一為左旋。因此，在旋松夾緊螺栓3以后，轉(zhuǎn)動橫拉桿體，即可改變轉(zhuǎn)向橫拉桿的總長度，從而調(diào)整前輪前束。

橫拉桿的作用與功能：

一可以使兩個車輪同步，傳遞轉(zhuǎn)向節(jié)傳過來的轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，并使兩轉(zhuǎn)向輪偏角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的相對滑動盡可能的小，進(jìn)而減少輪胎的磨損，延長輪胎的使用壽命；

二可以調(diào)整前輪前束，使其在合理的范圍內(nèi)，而前輪前束的變化會導(dǎo)致輪胎側(cè)偏，進(jìn)一步導(dǎo)致汽車輪胎磨損或者跑偏。

2、目前江淮某款4×2載貨車轉(zhuǎn)向橫拉桿使用現(xiàn)狀

整車參數(shù)

1）整車設(shè)計(jì)最大質(zhì)量16t，前橋3.5t，前橋處最大設(shè)計(jì)質(zhì)量6t，橫拉桿處直臂長l:151mm；

2) 轉(zhuǎn)向器的最大輸出力矩M0：3690N·m；

3）橫拉桿材料是35號鋼，外徑是35mm，壁厚5.5mm。

下表是2014年1到10月接到的市場反饋的某款4×2載貨車使用情況：

表1

前橋輪胎啃胎、磨損嚴(yán)重，客戶抱怨較大，通過市場走訪發(fā)現(xiàn)該問題在某款4×2載貨車普遍存在，國內(nèi)其他廠家同類型產(chǎn)品該問題要少的多，我們對問題車輛進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的全面檢測，發(fā)現(xiàn)百分之九十的問題車的前輪前束值變化，超出規(guī)定值的范圍，拆解發(fā)現(xiàn)有很拉桿彎曲變形，有些變形非常嚴(yán)重。

而且某款類似配置的4×2載貨車在試驗(yàn)場做試驗(yàn)時(shí)也出現(xiàn)了橫拉桿彎曲現(xiàn)象，對其進(jìn)行了更換正常橫拉桿，然后強(qiáng)化路又跑不到200公里，再次出現(xiàn)橫拉桿彎曲。

3、對前橋橫拉桿的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

橫拉桿是轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的一部分。橫拉桿通過與轉(zhuǎn)向梯形臂的球形鉸接聯(lián)接著前橋的左右車輪。轉(zhuǎn)向時(shí)，橫拉桿受到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沿軸向方向的拉力和壓力，且呈交變狀態(tài)。對于左舵轉(zhuǎn)向的汽車，橫拉桿在左轉(zhuǎn)時(shí)受壓，在右轉(zhuǎn)時(shí)受拉，右舵轉(zhuǎn)向的汽車則相反。

橫拉桿的長度比其外徑要大得多，屬于細(xì)長桿件。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，橫拉桿強(qiáng)度的安全系數(shù)n設(shè)計(jì)要求在1.5～2.5之間。

3.1 優(yōu)化優(yōu)化前的橫拉桿

1）優(yōu)化前的橫拉桿的強(qiáng)度校核

橫拉桿（35-Ф35×5.5）抗彎截面系數(shù)為W：

橫拉桿受力：F=m0/l= 24437 N

偏心距 Mmax=F×C=24437×19.5=476523 N·mm

其中：C=19.5mm

截面面積：A=π（D2-d2）/4=509.5 mm2

則：

直拉桿的材料為35號鋼，許用應(yīng)力 [σ]= 315 MPa，安全系數(shù) n=[σ]/σmax=1.63由上述校核可知：直拉桿強(qiáng)度的安全系數(shù)為1.63，雖然大于1.5～2.5，但是安全系數(shù)仍然有點(diǎn)偏低，接近于安全系數(shù)允許的臨界值。

2）優(yōu)化前的橫拉桿的UG有限元分析

UG軟件有限元分析的流程如下圖3：

用UG軟件建立橫拉桿三維模型（簡化為細(xì)長桿件），并按照以上計(jì)算所得的邊界條件（等效）用有限元分析可得：

a）單元應(yīng)力，最大單元應(yīng)力在橫拉桿一端處，最大為191MPa，驗(yàn)證了計(jì)算最大應(yīng)力σmax=193MPa。

b）位移：最大位移在橫拉桿一端處，為38.99mm。

可見圖中紅色部分處所受壓強(qiáng)最大，位移最大，存在極大彎曲風(fēng)險(xiǎn)極高。

3.2 根據(jù)市場反饋，上述橫拉桿有許多橫拉桿彎曲的故障，客戶抱怨較大，通過直拉桿強(qiáng)度的安全系數(shù)為1.63來看，雖然大于1.5，但是安全系數(shù)仍然有點(diǎn)低，接近于安全系數(shù)允許的臨界值，考慮到客戶的實(shí)際使用情況（超載），針對以上計(jì)算校核和UG有限元分析的情況，對前橋橫拉桿進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，采用45-Ф36×6的橫拉桿再進(jìn)行計(jì)算校核和UG有限元分析。

1）優(yōu)化前的橫拉桿的強(qiáng)度校核

橫拉桿（45-Ф36×6）抗彎截面系數(shù)為W：

橫拉桿受力：F=m0/l= 24437 N

偏心距 Mmax=F×C=24437×19.5=476523 N·mm 其中：C=19.5mm

截面面積：A=π（D2-d2）/4=565.2 mm2

則：

直拉桿的材料為45號鋼，許用應(yīng)力 [σ]= 355 MPa，安全系數(shù) n=[σ]/σmax=2.05

由上述校核可知：直拉桿強(qiáng)度的安全系數(shù)為2.05，大于1.5～2.5，安全系數(shù)較高。

2）優(yōu)化后的橫拉桿的UG有限元分析

用UG軟件建立橫拉桿三維模型，并按照以上計(jì)算所用的邊界條件用有限元分析可得：

a）單元應(yīng)力，最大單元應(yīng)力在橫拉桿一端處，最大為174MPa，驗(yàn)證了計(jì)算最大應(yīng)力σmax=172.9MPa。

b）位移：最大位移在橫拉桿一端處，為23mm。

由圖中可見所受最大壓強(qiáng)不超過200Mpa，最大位移22.5mm，安全可靠性比原來的大大提高。

4、優(yōu)化后前橋橫拉桿的驗(yàn)證和應(yīng)用

將優(yōu)化后的橫拉桿，送到試驗(yàn)場對彎曲的橫拉桿進(jìn)行更換，然后接著跑路試，該試驗(yàn)樣車又跑了3萬多公里的強(qiáng)化路，在對該試驗(yàn)樣車檢查時(shí)，為發(fā)現(xiàn)橫拉桿有明顯的彎曲變形，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2015年1月到5月份共計(jì)銷售某款4×2載貨車五千多輛，至今未收到橫拉桿彎曲變形的市場反饋，對2015年銷售的某款4×2載貨車調(diào)查發(fā)現(xiàn)，市場反響良好，客戶比較滿意。

5、總結(jié)

由以上對比可知，優(yōu)化后的前橋橫拉桿具有更高的安全系數(shù)，能夠更好的適應(yīng)我國現(xiàn)階段的國情，而且能夠大大降低市場故障數(shù)量，不僅提高產(chǎn)品競爭力，而且提高了客戶滿意度，踐行了我公司敬客經(jīng)營的核心價(jià)值觀，以客戶為中心，以誠信為基礎(chǔ)，專注為客戶創(chuàng)造價(jià)值，持續(xù)追求客戶滿意。

本論文通過對前橋橫拉桿強(qiáng)度的校核，并對其建立優(yōu)化的三維模型，借助UG三維軟件進(jìn)行有限元理論分析，可以有效避免潛在的問題，為設(shè)計(jì)提供理論參考，不僅節(jié)約大量的時(shí)間、人力和物力等，而且提高了辦公效率和準(zhǔn)確度，從而避免了大量的繁瑣的理論計(jì)算，值得推廣。

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì).[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).[M]北京:清華大學(xué)出版社.

[3] 余志生.汽車?yán)碚?[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

The optimization Design of some 4 x 2 truck’s front axle tie rod Based on UG Software

Zhang Xinya
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

The reasonable design of the front axle tie rod is directly related to the vehicle steering system performance, such as the stability of the vehicle steering system, correction and reliability. In this paper, Based on outstanding problems of some 4 x 2 truck on the market, such as tire wear and running deviation, We optimize the design of the front axle tie rod by finite element analysis UG Software to solve the problems of tire wear and running deviation.

steering system; UG Software; tire wear; finite element analysis

U462.1

A

1671-7988(2016)10-135-03

張新亞，(1987.11-)，底盤設(shè)計(jì)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所。研究方向：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。