基于多软件分析的特种车轮边传动轴导向机构故障研究.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 1052023/09总第571期基于多软件分析的特种车轮边传动轴 导向机构故障研究王 晓1，郭 帅2（1.泰山科技学院智能工程学院，山东 泰安 271002；2.泰安航天特种车有限公司，山东 泰安 271000）摘要为寻求车辆转向时的实际转角，解决某特种车轮边传动轴导向机构因超出转角范围所产生的故障问题，文章通过某故障研究，首先运用ANSYS软件对转向结构件进行变形分析，得到不同工况下转向角的附加值；进一步运用ADAMS软件对转向系统的设计参数进行修改，结合试验数据结果指导改进设计结构。结果表明，由于车辆在转向时，不同工况可产生附加角度与转向设计角度相叠加，实际转动角度会大于设计角度，因此转向角度设计需要留有一定的设计余量来消除此角度叠加；同时为保证汽车行驶中的可靠性，应当增加转向器左右限位初调工序。关键词轮边传动轴；内轮转角；转向器限位；附加转角中图分类号U273 文献标识码B 文章编号1001-554X（2023）09-0105-04Research on the fault of wheel side drive shaft guide mechanism of special vehicle based on multi-software analysisWANG Xiao，GUO Shuai转向驱动桥可以同时实现转向功能和传递动力功能，因为左右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，一般多采用等速万向传动轴。等速万向节包含双联式万向节、凸块式万向节等多种形式，其中双联式万向节在军用越野车上得到了广泛的应用。双联式万向节的主要优点为允许两轴夹角大，传动效率高，工作可靠1。1 故障研讨1.1 故障现象某特种汽车底盘前桥右轮边传动轴发生了漏油现象，经现场拆检，轮边传动轴导向机构密封护套处的油封破损，导向机构连接叉的一个导柱脱出，故障位置位于靠近前桥右轮组一侧双十字轴结构处（见图1）。1.2 故障原因分析故障原因初步判断为选用的车桥双联式万向节结构所允许的两轴夹角范围未满足车轮实际的转角需要，导致轮边传动轴运动超限后发生故障。此特种汽车转向系统采用的动力转向器类型图1 故障部位图示为半整体式转向器，转向器结构中设置有限位装置，其功能在于当动力转向器转到车轮预设的极限角度、车轮机械限制支点接触时，将转向助力系统油压迅速降低，使转向器降低助力，从而起到降低车轮杆系受力变形，进而保护转向系统的目 的2。DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.016收稿日期2023-02-06通讯地址王晓，山东省泰安市岱岳区山口镇学院西路 8号106 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION在此特种汽车转向液压系统中，限位装置可以限制转向垂臂的前后摆动转角范围。当方向盘转至转向器机械限位位置时，液压系统卸荷，在此运动过程中转向器输出圈数和车轮转角范围为定值。此特种车轮边传动轴导向机构故障问题说明了在转向过程中未进行转向器限位，车轮的实际极限转角比设计值大。已知故障特种汽车最大内轮转角的最初设计值为35，对于此设计值而言，万向节转动范围满足转向时内转向轮的转角需求，但未考虑车辆车轮转向附加转角角度值。汽车转动轮在进行不同运动时，可能产生了附加转动角度，为此需要对特种汽车转向轮的设计角度及实际转动角度进行测量与 分析3。此特种汽车车桥采用双联式万向节结构，其允许的轮边传动轴两轴夹角范围为040.8。为了保障特种车的行驶安全，此角度范围应当大于在不同工况下车轮转至极限位置时轮边传动轴实际合成夹角角度值。对故障车辆进行现场测量，在车辆前进且转向过程中，方向盘圈数最大可达2.7圈，此时前桥右车轮转角为35。按照车轮转角的实际测量值进行三维校核，车轮在悬架中位位置时，前桥右轮边传动轴夹角为35.5；车轮在下跳150mm时，由转向和悬架运动引起的前桥右轮边传动轴合成夹角为40.5；在倒车且转向过程中，地面会对车轮产生增大车轮转角的趋势，前桥右车轮转角会达到37；车轮在悬架中位位置时，前桥右轮边传动轴夹角达到37.8；车轮在转向并下跳过程中，轮边传动轴合成夹角达到43.3，超过轮边传动轴许用角度40.8。具体测量及分析数值见表1。表1 不同工况下轮边传动轴夹角复核情况工况方向盘圈数（单侧）/圈车轮转角/轮边传动轴夹角（中位位置）/轮边传动轴合成夹角（车轮下跳150mm）/轮边传动轴许用夹角/满足情况前进2.73535.540.540.8满足倒车2.73737.843.340.8不满足综上分析，某特种汽车在倒车且转向过程中会产生2左右的附加角度，此附加角度值与车轮转角设计角度值叠加后造成在车轮下跳150mm时，轮边传动轴合成夹角超过该轮边传动轴许用角度，从而导致轮边传动轴运动超限，双联式万向节失效，所以车辆在使用一段时间后，发生了上述故障，出现了前桥右轮边传动轴漏油现象。因此在设计时应当充分考虑附加角度的影响，并对转向系统进行优化设计。2 附加角度值变形分析由于在运动过程中，转向杆系受力会产生变形，此变形量会叠加在车轮转角中，因此需要对某特种汽车的转向杆系进行受力分析，得到转向杆系总变形量，从而得到由转向杆系所带来的附加转角值。对某特种汽车的转向杆系中转向梯形臂、转向杆、转向摆臂等零部件进行ANSYS刚度变形计算4。计算结果显示，转向桥梯形臂球头销位置处变形量约为2.8mm，转向摆臂球头销位置变形量约为1mm，转向杆系中杆件变形量较小，总计为1.5mm（见图2-图4）。根据转向杆系计算出的各零部件变形量，可以得到转向杆系的总变形量L=2（2.8+1.5+1）11mm图2 转向梯形臂计算结果CONSTRUCTION MACHINERY 1072023/09总第571期图3 转向摆臂计算结果图4 转向边拉杆计算结果由此可以得出最大附加转角约为1.5（见 图5）。111.50图5 附加转角示意图3 优化设计考虑到附加角度的理论分析结果，为了消除轮边传动轴导向机构损坏现象，在ADAMS中优化转向杆系点位（见图6），并将前桥最大内轮转角设计在31。即当前桥最大内轮转角达到31时，动力转向器中的限位装置可以使液压系统卸荷，从而防止由于不同工况下车轮实际转角过大所带来的机构损坏问题，进而保护转向系统及轮边传 动轴。图6 转向系统的ADAMS建模在ADAMS中对某特种汽车转向系统模型进行点位优化，并设置05s内车辆右转至极限位置，510s内车辆回正，1015s内车辆左转至极限位置。对前桥左轮添加驱动，具体运动函数为step（time，0，0.01d，5，31d）+step（time，5，0，10，-31d）+step（time，10，-0.01d，15，-31d）。进行运动仿真后可以得到前桥车轮在转动过程中的转角曲线，如图7所示。图7 ADAMS运动仿真曲线从仿真曲线图7可以看到，当车辆右转至极限位置时，前桥右侧转向轮最大转角为31.2，前桥左侧转向轮转角为26.7；当车辆左转至极限位置时，前桥右侧转向轮最大转角为26.5，前桥左侧转向轮转角为30.7。叠加上由于倒车及杆系变形所产生的附加角度，可以得出实际轮边传动轴最大转动夹角达到35左右，此值在轮边传动轴许用夹角040.8范围内，从而可以避免轮边传动轴导向机构因超出转角范围所带来的相应故障，并满足车辆不同工况下的转向行驶要求。4 试验验证为避免轮边传动轴导向机构再次损坏，必须限制车轮的实际夹角在轮边传动轴许用夹角范围内，因此对转向系统的各初始点位进行优化设 计，降低最大内轮转角的初始设计值至31，对108 建筑机械设计计算DESIGN&CALCULATION4 施工应用人防门安装机器人已在常州、佛山、广州、长沙等地进行了施工应用，效果良好（见图6）。图6 人防门安装机器人施工应用在传统人力施工作业中，34人班组每日平均完成10扇门的挂装，使用本设备在新的作业程序下12人班组可实现每日平均15扇门的挂装，作业效率显著提升。在使用本机后，施工人员由强体力劳动者转变为设备操作员，劳动强度大幅降低，施工安全性有效提升。5 结束语研发团队经过不断优化，人防门安装机器人已形成通用化机器人施工平台，应用场景不断扩展，采用平台化设计，在建筑、高铁、桥梁等领域可轻松实现定制化作业机器人装备的研发，前景 广阔。未来，将根据人防门安装需求开发出系列化人防门安装机器人，助力人防门安装行业的发展。参考文献1GB/T 3811-2008.起重机设计规范S.2RFJ 01-2008.人民防空工程防护设备选用图集S.3徐建，周紫晗，郭传新，等.一种新型油电双动力全液压履带式桩架研究J.建筑机械，2021（04）：45-47.优化后的转向杆系进行加工、装配，并对转向器限位装置进行调整5，6。当方向盘从中位转动至2.5圈，转向轮最大内轮转角为31时，动力转向器进行限位动作。在车辆前进或后退过程中，车轮转动至左右极限位置时，测量最大内轮转角增大至35，满足轮边传动轴许用夹角范围，与仿真计算结果相似。5 结论本文对某特种汽车轮边传动轴导向机构损坏问题进行研究，得到了在车辆转向系统设计初期，应当充分考虑由结构件受力变形、倒车过程中转向、前进过程中转向等不同工况引发的附加角度值，并需要留有一定的设计余量7。同时为保证汽车行驶中的可靠性，应当增加转向器左右限位初调工序。在车辆下线前，先调整转向器限位，限制转向器转角不得超过2.2圈；车辆在调试下线后，再次对转向器限位进行调整，保证方向盘圈数不超过2.5圈，同时限定前桥最大内轮转角为31。文章所作研究为今后车辆的转向系统设计提供了 参考。参考文献1王望予.汽车设计M.北京：机械工业出版社，2003.2许斌.HNSAE13103汽车用液压循环球转向器行程卸荷机构的研究C.第十届河南省汽车工程技术研讨会，2013（09）：165-167.3刘鸿文.材料力学（4版）M.北京：高等教育出版社，2004.4唐家鹏.ANSYS FLUENT 16.0超级学习手册M.北京：人民邮电出版社，2016.5孙恒.机械原理（8版）M.北京：高等教育出版社，2008.6徐灏.机械设计手册M.北京：机械工业出版社，1991.7邹惠君.机械系统设计M.上海：上海科学技术出版社，1996.（上接第104页）