蔡建進(jìn)，邵明亮

（廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024）

有限元技術(shù)優(yōu)化客車轉(zhuǎn)向支架受扭強(qiáng)度分析

蔡建進(jìn)，邵明亮

（廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024）

轉(zhuǎn)向支架在客車行駛時的安全性起著舉足輕重的作用。轉(zhuǎn)向支架經(jīng)過有限元技術(shù)分析優(yōu)化后，安裝在客車底盤上，在加載1.5 t和加載4.5 t兩種工況下進(jìn)行測試。轉(zhuǎn)向盤分別逆時針左轉(zhuǎn)再順時針右轉(zhuǎn)，在不同的轉(zhuǎn)角下采集處理轉(zhuǎn)向支架受扭的應(yīng)變應(yīng)力。測試結(jié)果表明，該客車轉(zhuǎn)向支架強(qiáng)度符合設(shè)計要求，同時測試數(shù)據(jù)為研究轉(zhuǎn)向支架的受力情況提供了有價值的信息。

轉(zhuǎn)向支架；有限元技術(shù)；轉(zhuǎn)角；應(yīng)變

轉(zhuǎn)向支架作為客車聯(lián)接轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤的重要部件，對客車的安全性起著舉足輕重的作用。采用ANSYS有限元軟件對其結(jié)構(gòu)建模，找到了整個結(jié)構(gòu)剛度的薄弱環(huán)節(jié)［1］,并利用有限元技術(shù)對其進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，找出了產(chǎn)生裂紋破壞的位置，結(jié)合有限元分析結(jié)果對其利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究［2-3］。但優(yōu)化后的支架是否能滿足力學(xué)性能要求，需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。本文測試是在客車底盤上進(jìn)行，客車還沒安裝車身。通過在轉(zhuǎn)向支架上粘貼應(yīng)變片，再把轉(zhuǎn)向支架裝入客車底盤。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤加載，測試分析轉(zhuǎn)向支架的受扭強(qiáng)度。

1 客車轉(zhuǎn)向支架受扭測試試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向支架下端分別與左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿相連，上端與轉(zhuǎn)向盤相連。根據(jù)實(shí)際情況可知：對轉(zhuǎn)向支架安裝方孔進(jìn)行全約束［4］。在客車底盤上分別加載1.5 t和4.5 t,當(dāng)客車轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向支架主要受到扭曲變形。采用ZL-1L型轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀測量轉(zhuǎn)角，CM-1J-32型數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀測量應(yīng)變。

1.1 測點(diǎn)的選擇與布片方案

在轉(zhuǎn)向支架粘貼應(yīng)變片，它的工作原理是：把所使用的應(yīng)變片按構(gòu)件的受力情況，合理地粘貼在被測構(gòu)件變形的位置上，當(dāng)構(gòu)件受力產(chǎn)生變形時，應(yīng)變片也隨之變形，電阻值就發(fā)生相應(yīng)的變化，其變化量的大小與構(gòu)件變形成一定的比例關(guān)系，通過測量電路得到受力后的應(yīng)力、應(yīng)變值或其它的物理量［5］。沿受扭方向，在箱形結(jié)構(gòu)的邊角，沿棱線方向中點(diǎn)選擇4個測試點(diǎn)，每點(diǎn)沿與棱線45°和-45°各粘貼一應(yīng)變片。粘貼位置如圖1所示，圖2為粘貼好應(yīng)變片的轉(zhuǎn)向支架。

圖1 測點(diǎn)1，2，3，4位置

1.2 轉(zhuǎn)向支架受力分析

當(dāng)軸受扭時，其表層各點(diǎn)均處于純剪切狀態(tài)，根據(jù)切應(yīng)力互等定理，在兩個互相垂直的兩個平面上，剪應(yīng)力必然成對存在，且數(shù)值相等，兩者都垂直于兩平面的交線，方向則共同指向或共同背離這一交線［6］。即主應(yīng)力σ1與σ3與軸線分別成-45°與45°，見圖3。而且

圖2 粘貼應(yīng)變片的轉(zhuǎn)向支架

圖3 軸受扭時微面受力分析

根據(jù)胡克定律，沿主應(yīng)力σ1方向的正應(yīng)變?yōu)?/p>

從公式（2）可知，從應(yīng)變儀上讀出或記錄出應(yīng)變的大小，即可計算出應(yīng)力值。

1.3 測試電橋

測試應(yīng)變片采用一對90°的應(yīng)變片，沿主應(yīng)力σ1方向沿軸線成45°和135°粘貼應(yīng)變片R1和R2，每對應(yīng)變片分別組成半橋，這樣就有4個測點(diǎn)。如圖4所示［7］。

電橋橋臂系數(shù)計算如式（3）：

應(yīng)變片真實(shí)值：

其中：n為橋臂系數(shù)；μ為泊松比，取0.285；εD為讀數(shù)應(yīng)變值；εZ為真實(shí)應(yīng)變值

應(yīng)力真實(shí)值：

其中E為彈性模量，E=2.1×106 kg/cm2=210 GPa。

圖4 半橋測量扭矩布片與接橋

2 測試結(jié)果分析

轉(zhuǎn)向支架測試在兩個工況下進(jìn)行：第一次加載1.5 t，轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)再順時針右轉(zhuǎn)；第二次加載4.5 t，轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)再順時針右轉(zhuǎn)。車輪附著路況為較光滑的水泥路面。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在正中間時，轉(zhuǎn)角為零；左邊轉(zhuǎn)角為正，右邊轉(zhuǎn)角為負(fù)。每次轉(zhuǎn)角大約為20°，直到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動一周。記錄下每次轉(zhuǎn)角對應(yīng)的四個測點(diǎn)應(yīng)變讀數(shù)值εD（με）。

2.1 工況1：加載1.5 t

給客車底盤加載1.5 t，轉(zhuǎn)向盤從中間零度開始逆時針左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動一周，即360°。依次采集了每次轉(zhuǎn)角對應(yīng)4個測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，作“轉(zhuǎn)角-應(yīng)變”關(guān)系曲線圖，見圖5所示。

圖5 加載1.5 t時逆時針左轉(zhuǎn)“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)共采集了十幾次數(shù)據(jù)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤從中間零度開始時，轉(zhuǎn)向支架受扭曲變形為0。它的應(yīng)變隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增加而逐漸增大。測點(diǎn)3和測點(diǎn)4在轉(zhuǎn)角大概120°應(yīng)變出現(xiàn)了一些波動，這可能和它們的位置及地面粗糙度有關(guān)。另外，測點(diǎn)1和測點(diǎn)4受到的應(yīng)變值為正，表明它們受到的是拉應(yīng)力；而測點(diǎn)2和測點(diǎn)3受到的應(yīng)變值為負(fù)，表明它們受到的是壓應(yīng)力，符合轉(zhuǎn)向支架的受力情況。

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)到360°后，開始順時針右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到0°再順時針右轉(zhuǎn)360°。記錄下每次轉(zhuǎn)角對應(yīng)的4個測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。作“轉(zhuǎn)角-應(yīng)變”關(guān)系曲線圖，見圖6所示。

圖6 加載1.5 t時，順時針右轉(zhuǎn)“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”關(guān)系曲線

在測試中，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)后開始順時針右轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)向支架4個測點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)生了急劇的變化，應(yīng)變值迅速的減小。原來轉(zhuǎn)向支架受到轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤共同作用，變形越來越大，但現(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤對它的作用力突然減少了，自然應(yīng)變值也減少了。同時4個測點(diǎn)的受力也發(fā)生了一些變化，和逆時針左轉(zhuǎn)工況正好相反，測點(diǎn)1和測點(diǎn)4受壓應(yīng)力，測點(diǎn)2和測點(diǎn)3受拉應(yīng)力。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤順時針右轉(zhuǎn)至0度附近時，此時轉(zhuǎn)向支架4個測點(diǎn)的應(yīng)變都出現(xiàn)了一些波動，但都沒有回到0，這是因?yàn)樗鼈冞€受到一定的殘余應(yīng)力的影響。

由于采集的“轉(zhuǎn)角-應(yīng)變”數(shù)據(jù)眾多，應(yīng)變較大值都出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角較大的時候。取5次高應(yīng)力區(qū)數(shù)據(jù)計算值作分析。經(jīng)公式（4）計算各個測點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變值εZ，經(jīng)公式（5）計算出真實(shí)應(yīng)力σ。轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)較大應(yīng)力計算見表1，順時針右轉(zhuǎn)較大應(yīng)力計算見表2。

根據(jù)表1～2，可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向支架在1.5 t載荷作用下，它的受力應(yīng)變具有以下的特點(diǎn)：

（1）受力情況：逆時針左轉(zhuǎn)工況，測點(diǎn)1和測點(diǎn)4受拉應(yīng)力，測點(diǎn)2和測點(diǎn)3受壓應(yīng)力，反向時（順時針右轉(zhuǎn)工況），正好相反。符合轉(zhuǎn)向支架的受力情況。

（2）應(yīng)力大小：逆時針左轉(zhuǎn)工況還是順時針右轉(zhuǎn)工況，測點(diǎn)2的應(yīng)力最大，逆時針左轉(zhuǎn)工況真實(shí)應(yīng)力達(dá)-87 kg/cm2，順時針右轉(zhuǎn)工況真實(shí)應(yīng)力達(dá)123 kg/cm2。

（3）測點(diǎn)1和測點(diǎn)4，逆時針左轉(zhuǎn)工況和順時針右轉(zhuǎn)工況的應(yīng)變值大小差不多。兩個工況比較，測點(diǎn)1之間最大應(yīng)力相差3 kg/cm2；測點(diǎn)4之間最大應(yīng)力和均值均相差1 kg/cm2。

表1 加載1.5 t“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”逆時針左轉(zhuǎn)各測點(diǎn)較大應(yīng)力計算

（4）測點(diǎn)2和測點(diǎn)3，順時針右轉(zhuǎn)工況均大于逆時針左轉(zhuǎn)工況。其中測點(diǎn)2之間最大應(yīng)力相差36 kg/cm2；測點(diǎn)3之間最大應(yīng)力相差25 kg/cm2。

（5）轉(zhuǎn)角越大，應(yīng)力越大。最大應(yīng)力值區(qū)域出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到極大位置時段。

2.2 工況2：加載4.5 t

在客車底盤上加載4.5 t，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)至中間位置，數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀和轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀分別調(diào)零。轉(zhuǎn)向盤從中間零度開始逆時針左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動一周，即360°。依次采集了每次轉(zhuǎn)角對應(yīng)4個測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，作“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”關(guān)系曲線圖，見圖7所示。

圖7 加載4.5 t時，逆時針左轉(zhuǎn)“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”關(guān)系曲線

加載4.5 t時，4個測點(diǎn)的受力方向和加載1.5 t時一樣，即測點(diǎn)1和測點(diǎn)4受到的是拉應(yīng)力；而測點(diǎn)2和測點(diǎn)3受到的是壓應(yīng)力，隨著轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增大，轉(zhuǎn)向支架的應(yīng)變變化更加明顯。4個測點(diǎn)的應(yīng)變值都比加載1.5 t時要大。

同樣地，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)到360°后，開始順時針右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到0°再順時針右轉(zhuǎn)360°。記錄下每次轉(zhuǎn)角對應(yīng)的4個測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。作“轉(zhuǎn)角-應(yīng)變”關(guān)系曲線圖，見圖8所示。

圖8 加載4.5 t時，順時針右轉(zhuǎn)“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”關(guān)系曲線

和加載1.5 t一樣，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)后開始順時針右轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)向支架4個測點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)生了急劇的變化，應(yīng)變值迅速的減小。測點(diǎn)1和測點(diǎn)4受拉應(yīng)力很快轉(zhuǎn)換成壓應(yīng)力，測點(diǎn)2和測點(diǎn)3受壓應(yīng)力很快轉(zhuǎn)換成拉應(yīng)力。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤順時針右轉(zhuǎn)至0°附近時，此時轉(zhuǎn)向支架4個測點(diǎn)的應(yīng)變出現(xiàn)了突變，這比加載1.5 t明顯，應(yīng)力值在0°變小，但都沒有回到零。

取5次高應(yīng)力區(qū)數(shù)據(jù)計算值作分析。分別計算出各個測點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變值εZ和真實(shí)應(yīng)力σ。轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)較大應(yīng)力計算見表3，順時針右轉(zhuǎn)較大應(yīng)力計算見表4。

表3 加載4.5 t“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”逆時針左轉(zhuǎn)各測點(diǎn)較大應(yīng)力計算

表4 加載4.5 t“應(yīng)變-轉(zhuǎn)角”順時針左轉(zhuǎn)各測點(diǎn)較大應(yīng)力計算

根據(jù)表3～4，可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向支架在4.5 t載荷作用下，它的受力應(yīng)變具有以下的特點(diǎn)：

（1）4個測點(diǎn)的受力方向和加載1.5 t一樣，轉(zhuǎn)向盤順時針右轉(zhuǎn)時，都發(fā)生了同樣的變化。

（2）測點(diǎn)1在順時針右轉(zhuǎn)工況比在逆時針左轉(zhuǎn)工況的應(yīng)變值明顯減少了，這比加載1.5 t要明顯，在4個測點(diǎn)中，它相差最大，最大應(yīng)力相差49 kg/cm2；其次為測點(diǎn)4和測點(diǎn)3，測點(diǎn)2相差最小。

（3）最大值出現(xiàn)在測點(diǎn)2，數(shù)值接近，兩種工況間最大值僅差2 kg/cm2。

（4）測點(diǎn)1、測點(diǎn)3和測點(diǎn)4，逆時針左轉(zhuǎn)工況的受力均大于順時針右轉(zhuǎn)工況。

（5）總體來看，轉(zhuǎn)角越大，應(yīng)力越大。最大應(yīng)力值區(qū)域出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到極大位置時段。

3 結(jié)論

在1.5 t和4.5 t這兩種不同載荷的作用下，經(jīng)過有限元技術(shù)分析優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向支架采集處理的數(shù)據(jù)符合它的受力情況。但轉(zhuǎn)角和應(yīng)變關(guān)系發(fā)生了一些變化。比較這些測試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）4個測點(diǎn)在兩種工況下，應(yīng)力的變化趨勢是隨轉(zhuǎn)向盤向左、向右轉(zhuǎn)動而增加，最大應(yīng)力值區(qū)域都出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到極大位置時段。

（2）兩個工況最大值都出現(xiàn)在測點(diǎn)2位置（位置在零件的右上，見布片圖）。它的應(yīng)力值都小于材料的屈服極限。

（3）從總的受力變化情況看，加載1.5 t時，順時針右轉(zhuǎn)工況大于逆時針左轉(zhuǎn)工況。而加載4.5 t時，逆時針左轉(zhuǎn)工況的受力大于順時針右轉(zhuǎn)工況。

（4）在4.5 t載荷作用下，轉(zhuǎn)向支架4個測點(diǎn)受到的應(yīng)力都比加載1.5 t大，在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到0°，曲線突變比較明顯。

（5）在4.5 t載荷作用下,測點(diǎn)1在轉(zhuǎn)向盤逆時針左轉(zhuǎn)和順時針右轉(zhuǎn)的應(yīng)變變化比加載1.5 t大；而測點(diǎn)2則相反。

測試是在客車還沒安裝車身的時候進(jìn)行，按照客車實(shí)際承受載荷進(jìn)行加載。測試的應(yīng)力值都小于材料的屈服極限。表明該客車優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向支架符合設(shè)計的要求。同時，測試的結(jié)果為了解轉(zhuǎn)向支架的受力情況提供了有價值的信息。

[1]陳慶堂．基于ANSYS的數(shù)控銑床整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析［J］．三明學(xué)院學(xué)報，2010，27（2）:144-147．

[2]黃慶，杜登惠，黃小飛．動力總成懸置支架的多工況拓?fù)鋬?yōu)化［J］．汽車技術(shù)，2008(10)：27-30．

[3]林濤，閆劍韜，呂兆平．基于CAE分析變速器后懸置支架優(yōu)化設(shè)計［J］．裝備制造技術(shù)，2010(10)：53－55．

[4]張仁斌,黃義勇,成全勝.基于ABAQUS的某微型車輛轉(zhuǎn)向支架優(yōu)化分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造,2012（7）:191-193.

[5]熊詩波，黃長藝.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]范欽珊，殷雅俊.材料力學(xué)[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[7]邵明亮，李文望．機(jī)械工程測試技術(shù)[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2010.

The Analysis on Bus'Steering Bracket Turning to Torsion Strength by Optimized of Finite Element Technology

CAI Jian-jin，SHAO Ming-liang
(School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China)

Steering bracket plays a very important role in the bus driving safety.The steering bracket is optimized through the analysis of finite element technology and then it is tested in loading 1.5t and loading 4.5 t for two kinds of working conditions.Steering wheel counterclockwise turn left and clockwise turn right respectively,in different angle the torsioning strain stress of steering bracket is collected and processed.Test results show that the strength of bus'steering bracket complies with the design requirements,which provide valuable information for the study of steering bracket stress.

steering bracket;finite element technology;angle;strain

U463.4

A

1673-4343（2013）04-0056-07

2013-05-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61104225）

蔡建進(jìn)，男，福建廈門人，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：機(jī)械設(shè)備檢測與診斷。