汽車轉(zhuǎn)向直拉桿設(shè)計分析

王友鈞

(東風新疆汽車有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

本文以東風新汽生產(chǎn)的某一車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例進行說明。下圖為直拉桿受力分析的簡圖。

O為方向機輸出原點;A1為垂臂初始位置;A2為左極限位置;A3為右極限位置;F1為轉(zhuǎn)向機輸出到垂臂下端的縱向力;F0為傳遞到直拉桿上的力;F2為轉(zhuǎn)向垂臂的橫向分力。

一 在動力轉(zhuǎn)向器輸出扭矩恒定的情況下，分析轉(zhuǎn)向傳動拉桿機構(gòu)

從中間初始位置到A3位置，此過程中F0逐漸增大，從中間初始位置到A2位置，此過程中F0逐漸減小，當垂臂與直拉桿垂直時F0=F1。

在 A2 位置時，α2=24.2°;在 A3 位置時，α3=42°。

拉桿系統(tǒng)在進行力學分析、校核時，按轉(zhuǎn)向橋所承受的最大受力情況進行分析，因此，我們在這里只對圖中的A3位置的狀態(tài)進行系統(tǒng)分析。

二 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)

整體式液壓動力轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩M為7557N.m，轉(zhuǎn)向垂臂長度L1=205mm，轉(zhuǎn)向直拉桿長度為1060mm，直拉桿的規(guī)格為 Φ53 ×6.5，材料為45 號鋼，σs=350Mpa，σp=280Mpa，σb=600Mpa，E=210Gpa，許用應(yīng)力[σ]=70 ～115Mpa。

三 轉(zhuǎn)向直拉桿的強度計算

強度是指金屬材料在載荷作用下，抵抗變形破壞的能力，軸向拉(壓)時的應(yīng)力公式：

A為受力方向的橫截面面積，此處即為轉(zhuǎn)向直拉桿的橫截面面積：

由于σ=47.6＜[σ]=(70～115)，因此，該轉(zhuǎn)向直拉桿在強度上是完全滿足設(shè)計要求。

四 轉(zhuǎn)向直拉桿的穩(wěn)定性校核

失穩(wěn)：桿件收軸向壓力后會發(fā)生變形，但壓力逐漸增加，但小于某極限值是，桿件會一直保持其直線形狀的平衡，即使發(fā)生細微的變形，當壓力解除后，仍能恢復(fù)直線形狀，表面該桿件穩(wěn)定。當壓力逐漸增加到某一極限值后，壓桿的直線平衡變?yōu)椴环€(wěn)定，將轉(zhuǎn)變?yōu)榍€形狀，解除壓力后不能恢復(fù)直線形狀時，即壓桿失去穩(wěn)定。因此壓桿喪失了其直線形狀的平衡性，過渡到曲線平衡的狀態(tài)稱之為喪失穩(wěn)定，簡稱失穩(wěn)，也稱為屈曲。

臨界壓力：壓桿中心受軸向壓力的直桿在直線狀態(tài)下保持平衡，由穩(wěn)定平衡轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定平衡時所受承受的軸向壓力的界限值，稱之為臨界壓力或臨界力。用Fcr表示。

直拉桿穩(wěn)定性的計算、校核：

直拉桿的兩端分別為球鉸支點與轉(zhuǎn)向垂臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連接，因此可以將直拉桿的固定方式看作是兩端鉸支連接，根據(jù)《材料力學》中相關(guān)內(nèi)容得出，兩端鉸支的直拉桿長度系數(shù)μ=1。

壓桿柔度(λ)介紹：柔度是一個力學概念，指的是構(gòu)件在軸向受力的情況下，構(gòu)件沿垂直軸向方向發(fā)生變形程度的大小。柔度越大的壓桿其變形就越大，構(gòu)件的穩(wěn)定性就越差。柔度的大小與以下因素有關(guān)：構(gòu)件的截面尺寸，截面尺寸越大，柔度越小;構(gòu)件的長度，長度越長，柔度越大;構(gòu)件兩端的約束情況，固定約束比滑動約束的柔度小，有約束的比無約束的柔度要小。

材料比例極限：

由于λ＜λ1，不能使用歐拉公式計算臨界壓力，因此根據(jù)經(jīng)驗，按直線公式來計算：

查表得出優(yōu)質(zhì)碳素鋼的a和b分別是：a=461Mpa，b=2.568Mpa。由以下公式計算：

可見直拉桿的柔度λ介于λ1和λ2之間(即λ2≤λ≤λ1)，因此該直拉桿為中等柔度壓桿，由直線公式求出臨界應(yīng)力：

則臨界應(yīng)力為：

直拉桿的工作安全系數(shù)為：

根據(jù)《汽車設(shè)計手冊》一書中推薦轉(zhuǎn)向直拉桿的壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)n＞5的要求，因此該車設(shè)計的轉(zhuǎn)向直拉桿的穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

[1]劉鴻文主編《材料力學》.北京：高等教育出版社，1992

[2]劉惟信主編《汽車設(shè)計》.北京：清華大學出版社，2001

[3]趙明生主編.《機械工程師手冊》.北京：機械工業(yè)出版社，2000