简析具有折弯的汽车转向直拉杆强度分析方法研
作者：admin时间：2019-03-29 05:56:19阅读：400来源：本站
0引言
汽车转向直拉杆是汽车转向传动系统中的重要零/部件，它应具有较小的质量和足够的刚度。为了满足其布置要求，需要将其做成弯曲的，这样就减小了纵向刚度，因此，在对其进行强度校核时就需要同时计算弯曲应力和拉压应力，并将两者合成。Lmax为折弯处到两球铰中心连线的最大落差。
杨国库、刘振成等人和王友钧采用传统的强度分析方法计算了具有折弯的汽车转向直拉杆的最大应力。其中，最大弯矩Mmax的取值为直拉杆所受的轴向力P与折弯处到两端球铰中心连线的最大落差Lmax的乘积，即Mmax=PLmax。这种方法虽然简单，但是得到的最大弯矩偏小，进而也会使得最大应力不准确。原因是直拉杆受到轴向力后，会发生弯曲变形，而在计算最大弯矩时，除了要考虑最大落差Lmax以外，还应该加上在折弯处产生的垂直位移Δl，即Mmax=P(Lmax+Δl)。通过算例进行验证，修正后的最大应力更加精确。
1直拉杆的力学模型及分析方法
1.1建立力学模型
在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，直拉杆的两端均采用球销连接。另外，在汽车转向机构中，直拉杆为二力杆结构，所受轴向力沿着直拉杆两端球铰的中心线。为了满足其小质量和大刚度的要求，转向直拉杆一般采用20、30或40钢无缝钢管制成，因此，将具有折弯的汽车转向直拉杆简化为一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座的具有折弯的简支梁，再结合工程实际中比较常见的几种直拉杆样式。
1.2单位载荷法
单位载荷法是求解位移的一种常用的方法，相比于有限元法和求解微分方程法等求解位移的方法，具有推导过程简单和编程方便等特点，在梁结构的位移推导方面具有一定的优势。
单位载荷法的基本方程是根据虚功原理导出的。在单位力的作用下杆件横截面上的轴力、剪力和弯矩分别为F'N(x)、F'S(x)、M'(x)。
2最大折弯处的垂直位移及最大应力计算公式
在最大折弯处垂直位移以及最大应力计算公式的推导过程中，轴向力均是沿水平方向向左施加，即假定往右打方向盘，汽车转向直拉杆受压。当向左打方向盘直拉杆受拉时，对应的最大折弯处垂直位移及最大应力的计算公式符号相反。
3算例分析
选取直拉杆横截面的外径D=0.042m，内径d=0.026m，抗弯截面系数W=6.202×10-6m3，惯性矩I=1.3×10-7m4，弹性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，轴向力P=10597N。
根据参数，在ANSYS软件中建立线体模型，设定截面形状为管状。从简支梁的约束形式出发，对线体模型的左端节点，施加X、Y和Z方向的位移约束，并约束该节点绕X和Y的旋转自由度;对线体模型的右端节点，施加Y和Z方向的位移约束，同时，在该节点施加大小为10597N，沿X的负方向的力。打开大变形，采用梁单元进行非线性分析。
同时将直拉杆的相关参数代入到最大折弯处垂直位移计算公式(12)～式(14)中，得到最大折弯处垂直位移的数值解。将该数值解与ANSYS软件中得到的相应的最大折弯处垂直位移的数值解进行对比。
可以看出，两个数值解基本相等，验证了利用单位载荷法推导出的解析解的精确度。再将直拉杆的相关参数代入到式(15)～式(18)中，计算直拉杆的最大应力，得到的数值解与通过转向直拉杆传统强度分析方法所得到的最大应力数值解以及ANSYS软件仿真得到的组合应力结果进行对比。
可以看出，修正后的最大应力与ANSYS软件仿真得到的最大应力基本相等，传统方法由于没有考虑最大折弯处的垂直位移，对转向直拉杆进行强度分析时得到的最大应力偏小，就本文采用的三种力学模型而言，偏差在2%～3%范围内，降低了直拉杆强度分析的精度。
4结语
在传统方法的基础上，对具有折弯的汽车转向直拉杆的强度分析进行了修正，在计算最大弯矩时考虑了最大折弯处垂直方向的位移。并建立了三种直拉杆力学模型，采用单位载荷法推导出最大折弯处垂直位移的计算公式，进而得到最大应力的计算公式。最后通过算例分析验证了最大折弯处垂直位移计算公式的准确性以及最大应力的精确性。
汽车转向直拉杆是汽车转向传动系统中的重要零/部件，它应具有较小的质量和足够的刚度。为了满足其布置要求，需要将其做成弯曲的，这样就减小了纵向刚度，因此，在对其进行强度校核时就需要同时计算弯曲应力和拉压应力，并将两者合成。Lmax为折弯处到两球铰中心连线的最大落差。
杨国库、刘振成等人和王友钧采用传统的强度分析方法计算了具有折弯的汽车转向直拉杆的最大应力。其中，最大弯矩Mmax的取值为直拉杆所受的轴向力P与折弯处到两端球铰中心连线的最大落差Lmax的乘积，即Mmax=PLmax。这种方法虽然简单，但是得到的最大弯矩偏小，进而也会使得最大应力不准确。原因是直拉杆受到轴向力后，会发生弯曲变形，而在计算最大弯矩时，除了要考虑最大落差Lmax以外，还应该加上在折弯处产生的垂直位移Δl，即Mmax=P(Lmax+Δl)。通过算例进行验证，修正后的最大应力更加精确。
1直拉杆的力学模型及分析方法
1.1建立力学模型
在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，直拉杆的两端均采用球销连接。另外，在汽车转向机构中，直拉杆为二力杆结构，所受轴向力沿着直拉杆两端球铰的中心线。为了满足其小质量和大刚度的要求，转向直拉杆一般采用20、30或40钢无缝钢管制成，因此，将具有折弯的汽车转向直拉杆简化为一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座的具有折弯的简支梁，再结合工程实际中比较常见的几种直拉杆样式。
1.2单位载荷法
单位载荷法是求解位移的一种常用的方法，相比于有限元法和求解微分方程法等求解位移的方法，具有推导过程简单和编程方便等特点，在梁结构的位移推导方面具有一定的优势。
单位载荷法的基本方程是根据虚功原理导出的。在单位力的作用下杆件横截面上的轴力、剪力和弯矩分别为F'N(x)、F'S(x)、M'(x)。
2最大折弯处的垂直位移及最大应力计算公式
在最大折弯处垂直位移以及最大应力计算公式的推导过程中，轴向力均是沿水平方向向左施加，即假定往右打方向盘，汽车转向直拉杆受压。当向左打方向盘直拉杆受拉时，对应的最大折弯处垂直位移及最大应力的计算公式符号相反。
3算例分析
选取直拉杆横截面的外径D=0.042m，内径d=0.026m，抗弯截面系数W=6.202×10-6m3，惯性矩I=1.3×10-7m4，弹性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，轴向力P=10597N。
根据参数，在ANSYS软件中建立线体模型，设定截面形状为管状。从简支梁的约束形式出发，对线体模型的左端节点，施加X、Y和Z方向的位移约束，并约束该节点绕X和Y的旋转自由度;对线体模型的右端节点，施加Y和Z方向的位移约束，同时，在该节点施加大小为10597N，沿X的负方向的力。打开大变形，采用梁单元进行非线性分析。
同时将直拉杆的相关参数代入到最大折弯处垂直位移计算公式(12)～式(14)中，得到最大折弯处垂直位移的数值解。将该数值解与ANSYS软件中得到的相应的最大折弯处垂直位移的数值解进行对比。
可以看出，两个数值解基本相等，验证了利用单位载荷法推导出的解析解的精确度。再将直拉杆的相关参数代入到式(15)～式(18)中，计算直拉杆的最大应力，得到的数值解与通过转向直拉杆传统强度分析方法所得到的最大应力数值解以及ANSYS软件仿真得到的组合应力结果进行对比。
可以看出，修正后的最大应力与ANSYS软件仿真得到的最大应力基本相等，传统方法由于没有考虑最大折弯处的垂直位移，对转向直拉杆进行强度分析时得到的最大应力偏小，就本文采用的三种力学模型而言，偏差在2%～3%范围内，降低了直拉杆强度分析的精度。
4结语
在传统方法的基础上，对具有折弯的汽车转向直拉杆的强度分析进行了修正，在计算最大弯矩时考虑了最大折弯处垂直方向的位移。并建立了三种直拉杆力学模型，采用单位载荷法推导出最大折弯处垂直位移的计算公式，进而得到最大应力的计算公式。最后通过算例分析验证了最大折弯处垂直位移计算公式的准确性以及最大应力的精确性。
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