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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)[1],同時(shí),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(shí)候,轉(zhuǎn)向管柱安裝支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度會(huì)直接影響整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,在進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮其強(qiáng)度和剛度要求[2]。

本文運(yùn)用有限元前處理軟件 HyperMesh、求解器Optistruct和后處理軟件HyperView 對(duì)某款旅團(tuán)車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的安裝支架進(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化。從而在設(shè)計(jì)期間發(fā)現(xiàn)問題并解決問題,保證實(shí)車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)構(gòu)性能要求及試驗(yàn)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(shí)轉(zhuǎn)向管柱安裝支架也需要滿足此要求。但是現(xiàn)實(shí)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(jìn)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(jìn)行合理簡(jiǎn)化。網(wǎng)格劃分時(shí),骨架的各個(gè)部件采用5 mm的四邊形殼單元,骨架各個(gè)構(gòu)件通過共節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(qiáng)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(duì)轉(zhuǎn)向管柱安裝處的RBE2單元共節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)性能要求及試驗(yàn)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(jìn)及效果

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

針對(duì)原支架實(shí)際應(yīng)用情況和仿真結(jié)果,對(duì)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),提高支架的可靠性。具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案如下:

1) 增加加強(qiáng)板,材料為Q235。在L型安裝支架拐角處增加2塊三角板進(jìn)行加強(qiáng),規(guī)格為60 mm×60 mm×5 mm。改進(jìn)目的是加強(qiáng)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(jìn)后支架對(duì)比如圖4所示。

(a)原支架

(b)改進(jìn)后支架圖4 原支架與改進(jìn)后支架對(duì)比圖

3.2 改進(jìn)效果

結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jìn)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(jìn)后支架的應(yīng)力云圖

圖6 改進(jìn)后支架的位移云圖

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

表1 轉(zhuǎn)向管柱安裝支架改進(jìn)前后的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用有限元方法對(duì)客車轉(zhuǎn)向管柱安裝支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的仿真分析。根據(jù)仿真分析結(jié)果,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(tuán)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(guó)內(nèi)城市客車車型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考。