铰接工程车辆抗侧滚扭杆可靠性研究

张浩辰，线 晨

(陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院,陕西 西安 710300)

0 引 言

铰接型工程车辆作为一种常见的工程机械，凭借其载重量大、越野能力强等优点，已成为野外工程车辆的主要选择.铰接型工程车辆受其本身的结构特点的限制，在行驶过程中，整车重心会随着车体转向而变化，导致侧向稳定性较差，容易发生侧翻事故，造成经济损失，严重影响工作效率，甚至威胁到使用操作人员的生命安全[1].

目前，此类工程车辆一般在驾驶室配备侧翻安全保护装置以实现被动防护，或者是通过传感器等手段实现提前警报，提醒驾驶人员安全操作.但以上措施并没有解决车辆整车的稳定性问题.因此，为了提高铰接工程车稳定性，减少侧翻事故的发生，本研究在国产某型铰接工程车辆前摆动桥设计安装了一种抗侧滚扭杆作为铰接工程车辆的防翻机构，开展扭杆弹簧结构变化对整车稳定性的影响以及其疲劳分析，为下一步产品的工程实践应用提供了理论依据.

1 抗侧滚扭杆工作原理

如图1所示，本研究分析一种单级扭杆，该单级扭杆具体由一根扭杆弹簧两侧各连接一根扭臂，通过连杆与固定车架处连接组成.扭杆弹簧左右两端可以通过花键连接，或者过盈配合将扭臂固定连接在一起，扭臂的另一端一般是利用橡胶关节元件以铰接的形式连接在连杆一端，左右连杆的上端亦可通过橡胶关节连接在车体支撑座上[2-4].

图1 扭杆运动原理示意图

当摆动桥发生相对摆动时，图1中的连杆受到压力作用而产生垂直方向的运动，两侧扭臂相对于扭杆弹簧将会一对反向对应的扭矩T，扭矩T作用于扭杆弹簧使其发生扭转弹性变形，在相互作用力下产生一个力矩M，用于抵抗车体侧滚运动，以此抑制车体的侧倾运动.摆动桥空间布局如图2所示.

图2 摆动桥空间布局

据图2可知，除却车辆现有的管路和线路以外，摆动桥在目前仍然有±15°左右的摆动范围，本研究建立1:1的前车体、驾驶室与前摆动桥的CREO三维模型，在整体尺寸1 000 mm×350 mm×700 mm的矩形空间内设置抗侧滚扭杆机构，最终安装方案如图3所示.

图3 抗侧滚扭杆防翻机构安装三维示意图

2 抗侧滚扭杆结构性能分析

2.1 虚拟样机模型建立

由于车体外形尺寸对最终的仿真结果的影响可以忽略不计，为简化计算过程，本研究对整车外形进行了大幅度简化.只需要有安装位置坐标和各部件质量信息[5-6]，最终的车身子系统只拥有铰接处的1个转动自由度，具体如图4所示.

图4 虚拟样机车身子系统结构示意图

2.2 侧倾稳定性评价指标

采用横向载荷转移率(Lateral Load Transfer Ratio，简称LTR)作为车辆侧倾稳定性评价指标[1]，其具体含义为：单根车轴两侧车轮受到的垂直载荷差值的总和，与所有车轮所受到的垂直载荷总和的比值的绝对值，即，

(1)

式中，Fli和Fri为第i对轮胎两侧车轮上受到的垂直载荷；n为车轴总数.

当车辆行驶时，由于车身晃动或者转向行驶过程中的重心偏移，左右车轮的受力不相等，由此产生了横向载荷转移，即LTR值.根据公式(1)可以得出LTR的取值范围为0到1，其物理现象表示为：当LTR=0时，两侧的车轮的垂直载荷大致相等，车辆行驶极其平稳；当LTR=1时，车辆的某一侧车轮与地面没有相互作用力(可理解为离地现象)，此刻则认定铰接车辆的稳定性很差.由此判断，随着LTR值的上升，整车的稳定性变得越来越差.因此，LTR是一种常用的且能有效反映车辆侧翻危险性的评价指标.

通过LTR计算公式，将计算过程创建如图5的MATLAB/Simulink仿真系统[7]，以计算整车在行驶过程中的LTR值.

图5 MATLAB/Simulink控制系统

2.3 整车侧倾稳定性分析

分析3种典型行驶状况，采用不同扭杆弹簧的刚度，并利用LTR值来评判整车的稳定性的变化[8-10].

2.3.1 平地单向转向行驶

根据LTR曲线观察可知，平地转向过程中，抗侧滚扭杆刚度的在1.00 MN·m/rad到2.15 MN·m/rad变化时，车辆LTR曲线趋于平缓，峰值均在0.5以下，稳定性较好.具体如图6所示.

图6 抗侧滚扭杆刚度变化时LTR值变化图

2.3.2 平地蛇形转向

扭杆刚度在一定范围内增加时，LTR曲线表现更加平缓，峰值逐渐降低，此时倾稳定性有一定程度地提高，如图7所示，当扭杆刚度超过2.00 MN·m/rad时，LTR曲线峰值上扬，此时铰接工程车辆发生侧翻可能性大大提高.

图7 扭杆刚度变化LTR值

2.3.3 斜坡转向

斜坡转向设定路线如图8所示.

图8 斜坡工程车辆行驶路线图

根据图8中行车路线，当车辆向上转向时，整车向外侧的离心现象最为明显，导致侧向稳定性最差.扭杆刚度变化影响效果分析如图9所示.

图9 扭杆刚度变化时LTR变化曲线

据图9可知，斜坡转向峰值超过0.8时表明斜坡行驶比平地行驶更加危险.在斜坡转向的前半程，LTR曲线处于增长阶段，且变化相对比较平缓；在转向的后半阶段，LTR数值整体较高且曲线出现了非常明显的波动，说明斜坡转向的后半阶段，工程车辆的稳定性很差.当抗侧滚扭杆刚度增加到1.50 MN·m/rad时，原本比较尖锐的曲线形状变得圆滑，且峰值降低在0.8以下，抗侧滚扭杆起到了一定的防翻效果.当扭杆刚度在2.00 MN·m/rad和2.1 5 MN·m/rad时，LTR曲线的峰谷会增多，峰值接近0.9，侧倾稳定性下降，此时有倾翻的危险.

通过以上3种典型行驶方式的结果分析可知，当扭杆刚度超过2.00 MN·m/rad以后，扭杆机构对铰接工程车辆的侧倾稳定性提升不大，在本研究选取的刚度参数中，扭杆弹簧刚度为1.50 MN·m/rad时，可以有效地降低铰接工程车辆的LTR值，此时LTR曲线相比于其他取值更加平顺.因此，抗侧滚扭杆的刚度取值为1.50 MN·m/rad.

2.4 尺寸确定

当扭杆弹簧的刚度大于2.00 MN·m/rad时，本机构对车辆的侧向稳定性提升不大，甚至还有相反的作用，因此选取刚度为1.50 MN·m/rad.

圆形扭杆弹簧类型的抗侧滚扭杆所产生的变形，其扭杆弹簧吸收的变形能为[11]，

(2)

式中，L为有效长度，/mm；A为横截面积,/mm2；G为剪切模量,/Pa；τmax为最大扭转应力,/Pa；λ为合理性系数，根据工程经验系数N=1.25.

求解得到直径d=19.78mm，确定直径d=20 mm.

最终确定尺寸结构如图10所示，扭杆弹簧的极限长度为1 000 mm，扭臂为300 mm.

图10 抗侧滚扭杆结构尺寸图

3 抗侧滚扭杆有限元分析及安全性评价

3.1 抗侧滚扭杆有限元模型建立

为提高有限元仿真分析的效率，本研究对模型进行了简化处理，利用刚性圆环与扭杆弹簧的间隙配合限制扭杆弹簧上下平动和径向形变，两圆环的堆离代表扭杆弹簧的有效长度.选用50CrVA为扭杆材料，其弹性模量为206GPa，泊松比ν为0.3，密度为7.85 g/cm3.

网格划分方采用全六面体划分，并在接触位置进行加密处理，最终划分网格如图11所示.

图11 抗侧滚扭杆网格划分

3.2 抗侧滚扭杆静力学分析

3.2.1 抗侧滚扭杆载荷设定

如图12所示，当摆动桥绕销轴旋转到极限位置，连杆安装位置的位移为55.3 mm.因此，将载荷设定为是扭臂杆位移为55 mm时的载荷.

图12 摆动桥极限位置示意图

3.2.2 抗侧滚扭杆结果分析

抗侧滚扭杆最终分析结果如下图13所示.

由图13可以看出，圆环结构使得抗侧滚扭杆所受的载荷转化成扭杆的扭转形变.在扭杆弹簧承受扭矩最大的工况下，其最大Von Mises应力为861.3MPa.50CrVA弹簧钢经过淬火、喷丸、预扭等工艺处理之后，其抗拉强度σb≥1 274MPa、屈服强度σs≥1 127MPa，其许用应力可以达到1 000～1 050MPa之间.在实际使用中为安全起见，许用应力一般选为900MPa，安全系数为1.25.

图13 有效长度为980 mm扭杆应力分布图

3.3 冲击载荷分析

斜坡转向轮胎受力变化曲线如图14所示.

图14 斜坡转向轮胎受力变化曲线图

提取虚拟样车中的轮毂受力分析，图中蓝色部分为左轮，红色部分为右轮，在7.5s时刻以及13.5s时刻，左右轮胎受力发生了畸变,表明在工程车辆此时摆动桥受到了一个冲击载荷.将冲击载荷导入ABAQUS有限元模型中分析结果如图15所示.应力分布规律与静载受力分布类似，其最大的区域位于扭杆弹簧和扭臂连接处，如图15所示的红色区域，最大值达到878.7MPa，小于许用应力900MPa，属于安全范畴.

图15 冲击载荷下抗侧滚扭杆机构应力分布云图

3.4 抗侧滚扭杆疲劳分析

3.4.1 Workbench(软件)疲劳分析设置

由于扭杆经常反复受到扭动和冲击，长时间使用材料受到疲劳影响，Workbench作为目前比较成熟的疲劳分析软件[11-14]，可以将静载分析结果转化为动载分析，其使用方便、结果准确.本研究选用Workbench软件对抗侧滚机构进行疲劳分析.

3.4.2 S-N曲线设定

50CrVA经过淬火+中温回火(QT)热处理之后的结果，将文献【13】中所实验的50CrVA曲线作为仿真分析数据，输入到软件Workbench当中.

3.4.3 结果及分析

1)寿命分析

寿命云图显示的为抗侧滚扭杆失效时的循环次数，如图16显示.最大寿命值可以达到106以上，属于高周疲劳；大部分区域在108以上，属于永久疲劳；最小疲劳寿命为1.517×107，满足设计要求.

图16 寿命云图

2)损伤分析

损伤云图如图17所示.由于大部分区域的损伤数值远远小于1，因此，在设计寿命使用的周期内，一般不会发生损伤.

图17 损伤云图

3)安全系数分析

安全系数云图如图18所示，最大安全系数SF值是15，最小安全系数SF值为1.243，大于结构设计要求1.1，属于安全级别.

图18 安全系数云图

4 结 论

为提高国产某型的饺接工程车辆侧倾稳定性，本研究设计了一款抗侧滚扭杆，并对其防翻机构进行了力学分析及安全性评价.利用ABAQUS软件对抗侧滚扭杆翻机构进行了静力学分析及冲击载荷分析，其冲击载荷最大等效应力为878.7 MPa，符合设计需求.利用ANSYS Workbench对抗侧滚扭杆防翻机构进行了疲劳分析，结果表明，本设计结构的最小疲劳寿命为1.517×107，在绝大部分区域损伤数值远小于1，最小安全系数为1.243，均符合设计要求，所设计抗侧滚扭杆防翻机构安全可靠.