基于HyperWorks轉向器支架結構優化及改進設計

李江，申伶，梁江波

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

基于HyperWorks轉向器支架結構優化及改進設計

李江，申伶，梁江波

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶針對某10×4自卸車新結構轉向器支架在試驗過程中發生斷裂故障，從轉向液壓助力系統，轉向器支架結構、斷裂形式及受力情況進行原因分析，并運用CATIA三維建模和HyperWorks軟件對轉向器支架結構進行優化，并對改進后轉向器支架進行靜強度分析，使得安全因子大于2.5，最終通過可靠性驗證，驗證了改進后的轉向器支架滿足使用要求。改進后轉向器支架安全系數提高到了安全因子的2.5倍，給車輛正常使用帶來了一定的保證。

∶轉向器支架；安全因子；Hyperworks；疲勞分析；試驗驗證

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.019

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-49-03

引言

轉向器支架是車輛轉向傳動系統的一個關鍵零部件，它起到固定轉向器的作用，車輛運行過程中，轉向器支架受到轉向機前后擺動的力，同時也受到轉向機轉動力矩的轉矩。當車輛轉向到某一轉角后不再轉動的情況下，轉向機輸出力矩最大，轉向器支架這時受到拉桿反作用力最大，若果轉向器支架設計強度可以承受該力的沖擊，轉向器支架就可以可靠的使用。轉向器支架一旦斷裂，轉向器將不能被固定，車輛整個轉向系統將不能實現車輛轉向的功能，車輛將失去轉向性能，這種情況對駕駛員存在一定的安全隱患。所以轉向器支架在設計過程中必須考慮最大受力情況下的安全因子大于1，以滿足轉向器支架強度滿足整車使用。轉向器支架安裝位置見圖1 所示。

1、失效原因分析

失效轉向器支架如圖2所示，斷裂處從較窄的連接面處斷裂，根據斷裂層的斷口分析，為疲勞斷裂，斷裂處應該受到一定的沖擊載荷所致。

圖1

經過對斷裂轉向器支架車輛整個轉向液壓系統測試，發現轉向系統壓力在極限位置不泄壓，轉向助力系統異常，通過最終分析發下，轉向機出現故障，轉向機行程卸荷閥出現故障導致轉向機不能自動卸荷，轉向機達到最大轉角后仍不卸荷導致系統壓力一直持續在最大工作壓力下，在這種情況下，轉向器支架受到的力比正常情況下高出十幾倍的力。通過CAE對轉向器支架結構分析后發現，此處受力為應力較大處，即轉向器支架在斷裂處受到拉桿反作用力最大。從結構上進行優化后，可以通過增加加強筋和調整內加強筋位置，優化受力位置，將應力集中消除。

通過以上原因分析后，我們在用CAE強度分析中需要考慮轉向機失效情況下的受力情況。

圖2

2、改進方案及靜強度分析

結構優化原則是在原支架結構基礎上進行結構改進，更改內加強筋的位置，使其在轉向機輸出軸中心，斷裂處增加連接面寬度和厚度，增加外加強筋的尺寸。

通過結構優化并用HyperMesh軟件進行靜強度分析，使安全因子由原來的1.2提升至2.5以上，已達到即使轉向機失效情況下轉向器支架靜強度仍然能夠滿足其受力情況。

2.1轉向器支架材料屬性

材料采用轉向機鑄件類常用材料，詳見表1。

表1　材料力學性能

2.2轉向器支架使用工況及載荷

工況一、轉向機支架受拉桿反作用力靜態分析

經計算得靜強度分析加載力為：

F1=27831N

F2=24463N

F3=26342N

受力說明：F1為左轉、F2為中位、F3為右轉時轉向器支架受到拉桿反作用力，三種工況區別在搖臂和拉桿的夾角不同，夾角越大，受力越大，加載力如圖3所示。

圖3

工況二：

轉向機支架受轉向機扭轉力靜態分析。

在搖臂中心點對轉向機支架施加垂直紙面向里的轉矩6724N.m，加載力矩如圖3所示。

2.3轉向器支架約束條件

轉向器支架通過六個螺栓連接在車架上，通過四個螺栓和轉向機連接，利用HyperMesh分析將安裝孔的六個支架進行全部約束，如圖4。

圖4

2.4優化方案的確定

根據受力情況在HyperMesh進行建模分析，工況一最終分析的應力分布云圖如圖5所示。

圖5　應力分布云圖

最終計算得出轉向器支架在三種工況下的安全因子大于2.5，滿足設計要求嗎，安全因子分析結論見表2。

表2　轉向不同工況下的安全因子

根據受力情況在HyperMesh進行建模分析，工況二最終分析的應力分布云圖如圖6所示。

圖6　轉向機轉動力矩工況的應力云圖

在轉矩工況下，忽略轉向機支架孔周圍應力集中，向機支架最小安全因子為4.62，大于評價標準1，滿足靜強度要求。

3、疲勞分析及試驗驗證

對新結構轉向器支架進行整車5000公里道路可靠性試驗驗證，并通過車輛正常運行3萬公里試驗驗證，改進后轉向器支架無斷裂事故發生。

4、結論

本文通過對新結構轉向器支架在試驗過程種暴露出來的斷裂問題進行原因分析后，通過結構優化實現提高支架強度，以達到滿足整車受力要求，最終通過可靠性驗證驗證了通過HyperWorks分析出來的結論是能滿足實際使用的。本文通過HyperWorks的軟件分析結果給設計者提供很好的結構優化方向，大大提高了轉向器支架優化設計效率，并準確的優化了需加強的部位。

[1] 張勝蘭,鄭東黎,郝琪,李楚琳.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].機械工業出版社,2007.

[2] 吳仕賦.基于有限元汽車支架有限元設計[D].長春:吉林大學, 2005.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應用實例.機械工業出版社,2008.

[4] 陳家瑞.汽車構造.北京.人民交通出版社.1994.

[5] 余志生.汽車理論.北京.機械工業出版社.2000.

Structure optimization and improvement design of steering gear support based on HyperWorks

Li Jiang, Shen Ling, Liang Jiangbo
（Shaanxi Heavy Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

in the light of a 10 * 4 dump truck new structure to support for fault fault occurs in the test process, from the steering hydraulic power steering system, steering bracket structure, fracture form and stress analysis on the causes, and the use of CATIA 3D modeling and HyperWorks software on the steering bracket structure is optimized, and the improved steering bracket for the static strength analysis, makes the safety factor is greater than 2.5, finally verified by reliability to verify the improved steering bracket used to meet the requirements. The safety factor of the improved steering gear bracket is increased to 3 times of the safety factor, which is guaranteed by the use of the vehicle.

steering gear support; safety factor; Hyperworks; fatigue analysis; experimental verification

∶U463.4

∶A

∶1671-7988 (2016)09-49-03

李江（1985—），男，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事商用車轉向系統設計。