某大型城市客车转向机支架破坏仿真分析

李文中，柴冬梅，张伟

某大型城市客车转向机支架破坏仿真分析

李文中，柴冬梅，张伟

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春130011）

对某大型城市客车转向机支架进行静力仿真分析，并在此基础上，基于Radioss求解器，结合试验所得的材料S-N曲线，在交变载荷谱的作用下对转向机支架进行疲劳仿真分析，并将仿真分析与材料分析、实际破坏情况进行对比。结果表明，转向支架的疲劳仿真分析与实际寿命具有较好的符合性。

转向机支架；疲劳寿命；城市客车；S-N曲线

大型公路客车的转向系对客车行驶安全有着至关重要的作用，转向机的支架也因此作为保安件被尤为重视[1-2]。转向机支架的疲劳寿命直接影响整个转向机构的使用寿命[3-4]。大型城市客车的前轴荷较大，在实际运行时进出站频率较高，尤其在出站时，驾驶员通常会选择原地提前转向。在原地转向过程中，受到的地面反作用力较大，且会出现交变载荷，从而导致转向机支架受力工况变得尤为恶劣。因此，转向机支架设计的合理与否将在很大程度上影响转向系统的性能[5]。

1 某大型城市客车转向机支架结构及破坏

1.1 转向机支架结构

某大型城市客车为发动机后置二级踏步，受结构限制，转向系统采用角传动器、侧卧式转向机的布置形式。由于转向机安装平面与车架腹面有一定距离，需要设计外伸梁形式的转向机连接支架，如图1所示。

转向机是通过转向机安装板安装于转向机支架上。转向机支架是由两个槽形件焊接而成的，用螺栓安装在车架纵梁腹面。转向机支架总成由转向机支架、连接支架、转向机安装板组成。

1.2 转向机支架破坏形式

车辆行驶约1.2×105km后，发现转向沉重并且抖动明显。经过检查发现转向机前支架开裂失效。支架失效后强度和刚度严重降低。原地转向试验显示，支架变形明显，有严重安全隐患，已无法满足正常的使用要求。转向机支架失效形式如图2所示。

根据转向机支架破坏实物图，显示转向机支架靠近圆角的位置发生开裂，裂口位置有锈蚀，且锈蚀程度不一，初步判断为疲劳开裂[6]。支架为钢板折弯件，折弯位置处圆弧半径不大，容易产生应力集中。在转向载荷反复施加的情况下[7]，支架材料内部有砂眼或缺陷部位会产生较大内应力，最终出现细小裂纹，随着使用期限的延长，小裂纹会逐步扩大。扩大后的裂纹达到了宏观断裂的水平，最终将支架撕裂，从而产生了裂缝的粗糙区[8]。

2 仿真及材料分析

2.1 受力分析

该转向传动机构的受力如图3所示。一般情况下，在转向时，地面将地面摩擦力传递至轮胎，轮胎再将地面产生的反力传递至转向节臂，转向节臂通过转向梯形臂传递至转向纵拉杆，纵拉杆再将受力反馈至转向摇臂。因此，转向机支架既承载着转向机自身的重力，又受到转向摇臂传递过来的地面摩擦力。

由前文所述，选取原地转向工况来评价转向机支架的受力情况，使用如下经验公式来计算地面反作用给轮胎的阻力矩MR[9]：

式中：μ为胎面与地面的摩擦系数，取0.7；G为前轴载荷，取3.244×104N；p为胎压，取8.3×105Pa。

代入相关参数，计算得到该车地面反作用给轮胎的阻力矩MR为1 496.5 N·m。

再考虑转向梯形传动效率及拉杆机构传动效率，计算得到传递至摇臂的力矩Mρ[5]，即：

式中：IT为转向梯形传动比，取1；ηT为转向梯形效率值，取0.8；ID为转向拉杆传动比，取0.85；ηD为转向拉杆效率值，取0.8。

代入相关参数，计算得到该车的转向摇臂受到的力矩MP为4 952 N·m。转向机的自重力矩相对于该力矩值而言，不处于同一个数量级，因此考虑到计算的简化，此次分析中不考虑转向机自重的影响，后续该力矩将用于疲劳分析的载荷输入。

此外，客车在实际运行过程中可能会出现车轮陷入坑中，导致车轮卡死的恶劣工况，这时转向机最大输出力矩会大于传递至摇臂的力矩MP。该最大输出力矩将被用于静力工况的仿真加载，经查该车转向机最大输出力矩为6 100 N·m。

2.2 静力工况仿真

根据三维模型及上述受力分析进行有限元建模，截取纵梁的一部分，将纵梁两端固定。限制其六个自由度，在转向机输出轴位置建立连接螺栓孔的刚性单元，在主节点位置施加力矩6 100 N·m。转向机支架总成的有限元模型共有9 858个节点，9 460个单元，单元主要类型为CTRIA3和CQUAD4，如图4所示。

转向机支架总成的材料及部分力学性能如表1所示，三种材料的弹性模量皆为200～210 GPa，泊松比皆为0.25～0.33，密度皆为7.85×103kg·m-3。

从静力仿真分析工况下的位移变形云图及应力分布云图可以看出，转向机支架最大变形位移为2.06 mm，发生于转向机支架端部位置；最大应力为337.2 MPa，发生于槽型连接板折弯圆角处。由分析结果可知，转向机支架变形量过大（在正常使用中，认为变形量小于1 mm为可靠的），不能满足转向机支架的刚度要求；最大应力值略小于材料的屈服强度355 MPa，可以满足使用工况，但出现局部应力较大，存在应力集中疲劳隐患。

2.3 疲劳工况仿真

车辆正常运行过程中，很少会出现静力工况下的极限力矩6 100 N·m，疲劳分析载荷主要依据一般工况下转向机所承受的左右交变循环载荷，交变载荷谱为幅值4 952 N·m的余弦曲线。将交变载荷按上述加载方式加载到转向机支架上，模拟仿真交变载荷[9-10]。

疲劳寿命分析针对静力工况及实际使用情况下产生应力集中的转向机支架槽型连接板展开。连接板的材料为355L，试验条件为应力比R=-1，循环基数为5.0× 106，在不同存活率条件下，公司材料部按国家标准进行的疲劳试验数据如表2所示。

对该城市客车实际运行的80辆样车进行调研，结果显示有8辆车转向机支架发生开裂，存活概率为90%。疲劳寿命分析根据实际情况，采用存活率p=90%的数据进行。

将上述355L材料的疲劳试验数据拟合出存活率p=90%情况下的材料S-N曲线，如图5所示。将该曲线输入基于Radioss求解器的有限元计算软件中，即可对转向机支架进行疲劳寿命的评估计算。

转向机支架槽型连接板疲劳寿命仿真计算结果如图6所示。从图上可以看出，转向机支架槽型连接板疲劳寿命计算结果为6.43×104次，小于设计要求的2.688×105次，难以满足车辆行驶4.8×105km不失效，疲劳寿命不符合要求。疲劳危险点位置分布于支架圆角折弯处，与静力工况计算结果相吻合，同时对比实际工况，破坏形式同疲劳寿命分析趋势一致，6.43×104次疲劳寿命转化为行驶里程约为1.05×105km，与实际里程1.2×105km相差12.5%，二者较为接近，表明疲劳寿命分析方法可行、有效，可以用来指导设计。

2.4 材料分析

为了进一步确认材料属性，通过试验对转向机支架进行了4个项目包括元素含量、硬度、金相组织及力学性能的详细分析。从分析结果可以看出，断裂支架材质、硬度、组织及力学性能均符合355L材料理化属性，可以排除材料缺陷造成疲劳破坏的可能。

1）元素含量。元素含量检验采用QSN750金属材料元素分析仪，依据标准Q/CAM-75-2010检验，检验结果如表3所示。

2）硬度。硬度检验采用维氏硬度全自动控制和测量系统，依据GB/T 4340.1-2009[11]检验，A、B、C三点检验硬度（HV1）分别为168、173、179，符合材料技术要求。

3）金相组织。金相组织检验采用金相显微镜，依据GB/T 13298-2015[12]检验，检验结果为“铁素体+珠光体”，符合材料技术要求。

4）力学性能。力学性能检验采用电子万能材料试验机，依据GB/T228.1-2010[13]检验，检验样品为两份，检验结果如表4所示。

3 结束语

本文采用有限元分析法，基于Radioss求解器对转向机支架的静强度和疲劳寿命进行了仿真分析，结果表明仿真分析与实际寿命具有较好的符合性，真实可靠地反映了转向机支架的破坏机理，可为同类设计提供参考。

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[12]全国钢标准化技术委员会.金属显微组织检验方法：GB/T 13298-2015[S].北京：中国标准出版社，2015：9.

[13]全国钢标准化技术委员会.金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法：GB/T228.1-2010[S].北京：中国标准出版社，2010：12.

修改稿日期：2017-01-05

Simulation Analysis on Failure of Steering Gear Bracket of a Large City Bus

Li Wenzhong,Chai Dongmei,ZhangWei
（China FAWCo.,Ltd,R&DCenter,Changchun 130011,China）

The authors make a static strength simulation analysis on the steering gear bracket of a large city bus. Based on this and the Radioss solver,they finish the fatigue simulation analysis on the steering gear bracket under alternatingload spectrumcombingwith the tested material S-Ncurves,and compare the simulation analysis with the material analysis and the actual damage condition.The results show that the fatigue simulation analysis confirms well tothe practical life ofthe part.

steeringgear bracket;fatigue life;citybus;S-Ncurve

U463.4；U469.1

A

1006-3331（2017）02-0001-03

李文中（1987-），男，底盘工程师；主要从事底盘设计工作。