基于UG的某款4×2载货车前桥横拉杆的优化设计

张新亚

（安徽江淮汽车股份有限公司重型商用车研究所，安徽 合肥 230601）

基于UG的某款4×2载货车前桥横拉杆的优化设计

张新亚

（安徽江淮汽车股份有限公司重型商用车研究所，安徽 合肥 230601）

前桥横拉杆的合理设计，直接关系到整车的转向系统的性能，例如整车转向系统的稳定性、回正性和可靠性。文章针对市场上某款4×2载货车的啃胎、跑偏等突出问题，通过UG有限元分析，对前桥横拉杆进行优化设计，以便解决前桥啃胎和跑偏等问题。

转向系统；啃胎；UG；有限元分析

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.043

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-135-03

引言

随着社会经济水平的不断提高和高速物流行业的快速发展，人们对中重型卡车的高可靠的转向操纵系统越来越重视，转向系统的回正性、轻便性和前轮啃胎等都与前轮前束这一参数有很大关系，而这一参数很大程度上取决于前桥横拉杆的设计。横拉杆是前桥重要的安保件，直接关系到车辆的转向，对汽车的行驶安全至关重要。横拉杆弯曲变形回改变前桥的前束和转向梯形，加速轮胎的磨损，严重时回导致车辆无法正常行驶，甚至造成转向失控，威胁驾驶员和行人的人身安全。因此横拉杆必须具有较大的强度储备系数。近年来，市场上因前桥横拉杆弯曲导致的啃胎、跑偏等转向问题的故障数不断增加，故本文以提升整车的转向系统的性能为目标，对前桥横拉杆进行优化设计。

1、前桥横拉杆的作用与功能

横拉杆是转向梯形机构的底边，右横拉杆体2和旋装在两端的横拉杆接头1组成，如图1（a）所示，两端的接头结构相同。两接头借螺纹与横拉杆体联接。接头螺纹部分有切口，故具有弹性。接头旋装到横拉杆体上后，用夹紧螺栓3夹紧。横拉杆体两端的螺纹，一为右旋，一为左旋。因此，在旋松夹紧螺栓3以后，转动横拉杆体，即可改变转向横拉杆的总长度，从而调整前轮前束。

横拉杆的作用与功能：

一可以使两个车轮同步，传递转向节传过来的转向器输出的力和运动，使两侧转向轮偏转，并使两转向轮偏角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能的小，进而减少轮胎的磨损，延长轮胎的使用寿命；

二可以调整前轮前束，使其在合理的范围内，而前轮前束的变化会导致轮胎侧偏，进一步导致汽车轮胎磨损或者跑偏。

2、目前江淮某款4×2载货车转向横拉杆使用现状

整车参数

1）整车设计最大质量16t，前桥3.5t，前桥处最大设计质量6t，横拉杆处直臂长l:151mm；

2) 转向器的最大输出力矩M0：3690N·m；

3）横拉杆材料是35号钢，外径是35mm，壁厚5.5mm。

下表是2014年1到10月接到的市场反馈的某款4×2载货车使用情况：

表1

前桥轮胎啃胎、磨损严重，客户抱怨较大，通过市场走访发现该问题在某款4×2载货车普遍存在，国内其他厂家同类型产品该问题要少的多，我们对问题车辆进行了转向系统的全面检测，发现百分之九十的问题车的前轮前束值变化，超出规定值的范围，拆解发现有很拉杆弯曲变形，有些变形非常严重。

而且某款类似配置的4×2载货车在试验场做试验时也出现了横拉杆弯曲现象，对其进行了更换正常横拉杆，然后强化路又跑不到200公里，再次出现横拉杆弯曲。

3、对前桥横拉杆的分析和优化设计

横拉杆是转向传动机构的一部分。横拉杆通过与转向梯形臂的球形铰接联接着前桥的左右车轮。转向时，横拉杆受到转向系统沿轴向方向的拉力和压力，且呈交变状态。对于左舵转向的汽车，横拉杆在左转时受压，在右转时受拉，右舵转向的汽车则相反。

横拉杆的长度比其外径要大得多，属于细长杆件。根据设计要求，横拉杆强度的安全系数n设计要求在1.5～2.5之间。

3.1 优化优化前的横拉杆

1）优化前的横拉杆的强度校核

横拉杆（35-Ф35×5.5）抗弯截面系数为W：

横拉杆受力：F=m0/l= 24437 N

偏心距 Mmax=F×C=24437×19.5=476523 N·mm

其中：C=19.5mm

截面面积：A=π（D2-d2）/4=509.5 mm2

则：

直拉杆的材料为35号钢，许用应力 [σ]= 315 MPa，安全系数 n=[σ]/σmax=1.63由上述校核可知：直拉杆强度的安全系数为1.63，虽然大于1.5～2.5，但是安全系数仍然有点偏低，接近于安全系数允许的临界值。

2）优化前的横拉杆的UG有限元分析

UG软件有限元分析的流程如下图3：

用UG软件建立横拉杆三维模型（简化为细长杆件），并按照以上计算所得的边界条件（等效）用有限元分析可得：

a）单元应力，最大单元应力在横拉杆一端处，最大为191MPa，验证了计算最大应力σmax=193MPa。

b）位移：最大位移在横拉杆一端处，为38.99mm。

可见图中红色部分处所受压强最大，位移最大，存在极大弯曲风险极高。

3.2 根据市场反馈，上述横拉杆有许多横拉杆弯曲的故障，客户抱怨较大，通过直拉杆强度的安全系数为1.63来看，虽然大于1.5，但是安全系数仍然有点低，接近于安全系数允许的临界值，考虑到客户的实际使用情况（超载），针对以上计算校核和UG有限元分析的情况，对前桥横拉杆进行加强设计，采用45-Ф36×6的横拉杆再进行计算校核和UG有限元分析。

1）优化前的横拉杆的强度校核

横拉杆（45-Ф36×6）抗弯截面系数为W：

横拉杆受力：F=m0/l= 24437 N

偏心距 Mmax=F×C=24437×19.5=476523 N·mm 其中：C=19.5mm

截面面积：A=π（D2-d2）/4=565.2 mm2

则：

直拉杆的材料为45号钢，许用应力 [σ]= 355 MPa，安全系数 n=[σ]/σmax=2.05

由上述校核可知：直拉杆强度的安全系数为2.05，大于1.5～2.5，安全系数较高。

2）优化后的横拉杆的UG有限元分析

用UG软件建立横拉杆三维模型，并按照以上计算所用的边界条件用有限元分析可得：

a）单元应力，最大单元应力在横拉杆一端处，最大为174MPa，验证了计算最大应力σmax=172.9MPa。

b）位移：最大位移在横拉杆一端处，为23mm。

由图中可见所受最大压强不超过200Mpa，最大位移22.5mm，安全可靠性比原来的大大提高。

4、优化后前桥横拉杆的验证和应用

将优化后的横拉杆，送到试验场对弯曲的横拉杆进行更换，然后接着跑路试，该试验样车又跑了3万多公里的强化路，在对该试验样车检查时，为发现横拉杆有明显的弯曲变形，达到了预期的效果。

2015年1月到5月份共计销售某款4×2载货车五千多辆，至今未收到横拉杆弯曲变形的市场反馈，对2015年销售的某款4×2载货车调查发现，市场反响良好，客户比较满意。

5、总结

由以上对比可知，优化后的前桥横拉杆具有更高的安全系数，能够更好的适应我国现阶段的国情，而且能够大大降低市场故障数量，不仅提高产品竞争力，而且提高了客户满意度，践行了我公司敬客经营的核心价值观，以客户为中心，以诚信为基础，专注为客户创造价值，持续追求客户满意。

本论文通过对前桥横拉杆强度的校核，并对其建立优化的三维模型，借助UG三维软件进行有限元理论分析，可以有效避免潜在的问题，为设计提供理论参考，不仅节约大量的时间、人力和物力等，而且提高了办公效率和准确度，从而避免了大量的繁琐的理论计算，值得推广。

[1] 王望予.汽车设计.[M]北京:机械工业出版社.

[2] 刘惟信.汽车设计.[M]北京:清华大学出版社.

[3] 余志生.汽车理论.[M]北京:机械工业出版社.

[4] 陈家瑞.汽车构造.[M]北京:机械工业出版社.

The optimization Design of some 4 x 2 truck’s front axle tie rod Based on UG Software

Zhang Xinya
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

The reasonable design of the front axle tie rod is directly related to the vehicle steering system performance, such as the stability of the vehicle steering system, correction and reliability. In this paper, Based on outstanding problems of some 4 x 2 truck on the market, such as tire wear and running deviation, We optimize the design of the front axle tie rod by finite element analysis UG Software to solve the problems of tire wear and running deviation.

steering system; UG Software; tire wear; finite element analysis

U462.1

A

1671-7988(2016)10-135-03

张新亚，(1987.11-)，底盘设计工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司重型商用车研究所。研究方向：转向系统。