精密儀器半掛車限位裝置的柔性限位拉桿研究

盧朋朋，馬 力，張 望，王 哲，朱祝英

(武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430070)

為了滿足精密儀器半掛車貨物運輸較高的平順性要求，通常采用牽引懸置裝置來達到減振效果［1］。為了解決牽引懸置裝置限位的問題并避免限位沖擊，文獻［2］提出了一種具有柔性限位能力的牽引懸置裝置，并進行了多種方案牽引懸置裝置的設(shè)計研究。在這種具有柔性限位能力的牽引懸置裝置中，柔性限位拉桿是保證其限位能力的關(guān)鍵部件，因此設(shè)計柔性限位拉桿的結(jié)構(gòu)形式和確定具體參數(shù)來滿足限位能力和強度要求十分關(guān)鍵，在這方面目前國內(nèi)還未見研究報道。

因此，筆者進行了柔性限位拉桿的相關(guān)研究，提出了一種柔性限位拉桿的結(jié)構(gòu)形式，分析了限位拉桿性能與限位要求的關(guān)系，給出了限位拉桿參數(shù)確定的方法和設(shè)計流程，在此基礎(chǔ)上針對典型的車輛進行了設(shè)計研究和有限元非線性仿真分析，分析結(jié)果表明，柔性限位拉桿的設(shè)計是合理可行且十分有效的。

圖1 牽引懸置裝置布置方案

1 柔性限位拉桿的基本原理和限位特性

1.1 柔性限位拉桿的基本原理

精密儀器半掛車的牽引懸置裝置是用來衰減和緩沖半掛車與牽引車之間垂直方向的振動沖擊，使貨物的運輸更加平穩(wěn)，這正是精密儀器運輸車所需要的［3］。牽引懸置裝置的布置方案如圖1所示，其主要由油氣彈簧、柔性限位拉桿和導(dǎo)向機構(gòu)3 大部件組成，導(dǎo)向機構(gòu)通過銷軸連接在安裝支架上，柔性限位拉桿由銷軸連接在鵝頸上，與導(dǎo)向機構(gòu)通過連接銷相連。油氣彈簧下端通過牽引銷連接在導(dǎo)向機構(gòu)上，上端通過銷軸連接在鵝頸上。由布置方案可得到柔性限位拉桿的限位關(guān)系如圖2 所示。導(dǎo)向機構(gòu)長為L1，柔性限位拉桿長為L2，O為兩者的連接點處。在振動作用下，當跳動量大小為h時，導(dǎo)向機構(gòu)上的O點繞A點沿半徑為L1的弧運動到O1點，而柔性限位拉桿上的O點則要繞B點沿半徑為L2的弧運動到O2點，則會出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，相應(yīng)地會產(chǎn)生不協(xié)調(diào)力，它在客觀上起到限位的作用。假設(shè)導(dǎo)向機構(gòu)的剛度遠大于限位拉桿的剛度，限位時忽略導(dǎo)向機構(gòu)的變形，若此時限位拉桿具有特定的剛度特性，且當跳動量h小于限位行程H時拉桿剛度很小，則限位拉桿的O點將隨導(dǎo)向機構(gòu)的O點運動到O1處，桿長伸長為L3，水平移動量為a，導(dǎo)向機構(gòu)和限位拉桿分別轉(zhuǎn)動θ1和θ2;當跳動量h超出限位行程H后拉桿剛度急劇增大，限制O點繼續(xù)跳動，即可避免出現(xiàn)限位沖擊，從而起到柔性限位的作用。

圖2 柔性限位拉桿限位關(guān)系圖

1.2 柔性限位拉桿的剛度特性曲線

根據(jù)柔性限位拉桿的基本原理的分析結(jié)果，結(jié)合圖2 中的限位關(guān)系，若限位拉桿滿足特定的剛度特性，設(shè)拉桿受到的拉力大小為F2，在限位行程H內(nèi)，由于限位拉桿剛度較小，則F2很小或趨于0;當限位量超出限位行程H時，限位拉桿剛度增加，則F2會急劇增大，阻止其繼續(xù)向上運動。整體來看，限位拉桿的剛度特性應(yīng)當滿足圖3 所示的理想剛度特性曲線。

圖3 柔性限位拉桿理想剛度特性曲線

圖3 顯示了拉桿受力F2和拉桿伸長量δ 的變化關(guān)系。d1為達到限位行程H時拉桿剛度變化的拐點。由圖3 可看出，限位拉桿的剛度是非線性變化的，因此柔性限位拉桿具有可變剛度的特性。根據(jù)柔性限位拉桿的限位關(guān)系，可推導(dǎo)出在達到限位行程時各部件之間在幾何關(guān)系上應(yīng)滿足關(guān)系：

結(jié)合式(1)～式(3)，可知δ 是θ2的函數(shù)，得到柔性限位拉桿的剛度特性曲線滿足式(4)：

2 柔性限位拉桿的原型設(shè)計及設(shè)計方法

2.1 柔性限位拉桿的原型設(shè)計

為了滿足柔性限位拉桿變剛度特性的曲線要求，需要進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用油氣彈簧或電磁拉桿雖然可以滿足變剛度的性能需求，但存在空間布置難和成本較高的問題，因此筆者設(shè)計了一種簡單、無沖擊、可靠性好的且?guī)в胁ㄐ位善S套的柔性限位拉桿，在獲得變剛度特性曲線的同時降低了成本，達到了較為滿意的效果。

柔性限位拉桿的設(shè)計原型如圖4 所示。其主要由限位拉桿、波形簧片軸套和卡簧組成?？ɑ砂惭b在限位拉桿軸孔內(nèi)的兩端，限制波形簧片軸套的軸向移動。波形簧片軸套是一個剛度較小，截面呈波形且具有一定厚度的彈性鋼片，當其受到擠壓時會發(fā)生變形，是保證柔性限位的重要部件。無變形的波形簧片軸套截面如圖5 所示。

圖4 柔性限位拉桿

圖5 波形簧片軸套截面示意圖

軸套與軸孔的最大間隙量為t0，軸套厚度為t1，r1、r2分別為銷軸軸徑和軸孔內(nèi)徑的尺寸。當波形簧片軸套受力發(fā)生擠壓變形時，軸套的截面狀態(tài)如圖6 所示，無論軸套的受力方向是α 還是β，波形簧片軸套受壓的變形量都相同。以α 方向為例，當跳動量較小時，由于限位拉桿的剛度遠大于波形簧片軸套的剛度，波形簧片軸套變形，軸套與拉桿軸孔的間隙t0減小，此過程中拉桿的變形可忽略不計;當跳動量繼續(xù)增加，達到限位行程時，t0受擠壓變?yōu)?，此時波形簧片軸套無法繼續(xù)變形，拉桿受拉力作用開始變形，而拉桿自身的剛度很大，此時限位拉桿很難再繼續(xù)跳動。當拉力減小，跳動量逐漸減小為0 時，波形簧片軸套恢復(fù)原狀，限位過程中拉桿的剛度呈非線性變化，沒有剛性沖擊，這樣對牽引懸置裝置起到了柔性限位的作用。由于限位過程中拉桿始終不受壓，因此當跳動量減小，波形簧片軸套恢復(fù)原狀過程中不會形成反向沖擊，同時在設(shè)計柔性限位拉桿時也不必考慮壓桿穩(wěn)定性問題。

2.2 柔性限位拉桿的設(shè)計方法與流程

根據(jù)柔性限位拉桿的設(shè)計原型，在設(shè)計柔性限位拉桿結(jié)構(gòu)參數(shù)時，要求使柔性限位拉桿在限位行程內(nèi)的剛度特性曲線實現(xiàn)圖3 中的非線性變化。根據(jù)柔性限位拉桿原型的結(jié)構(gòu)特點，提出了設(shè)計流程，如圖7 所示。

圖7 柔性限位拉桿設(shè)計流程

首先，根據(jù)車輛的設(shè)計要求確定限位行程H。限位過程中油氣彈簧和限位拉桿的合力共同起到對牽引懸置裝置的限位作用，假設(shè)限位拉桿長度已知，由沖擊載荷的大小結(jié)合牽引懸置裝置的幾何及力學關(guān)系，計算得到限位拉桿受到的拉力。為確保在油氣彈簧損壞等極限情況下車輛正常行駛，設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)時按極限情況下拉桿受到的最大拉力進行設(shè)計。根據(jù)受力大小結(jié)合材料強度校核初選銷軸軸徑r1的尺寸，然后由限位行程H和式(1)～式(4)的幾何關(guān)系求出軸套與軸孔內(nèi)徑的間隙量t0。初選波形簧片軸套厚度t1，由柔性限位拉桿的結(jié)構(gòu)特點可以看出波形簧片軸套的厚度不宜過大或過?。?-7］。若初選厚度太大，會導(dǎo)致波形簧片軸套的初始剛度大，妨礙限位拉桿的正常跳動;若初選厚度太小，會導(dǎo)致初始階段的彈力小，產(chǎn)生振動沖擊，不滿足平順性的要求。厚度太大或太小都不能使限位裝置實現(xiàn)理想的剛度特性，因此波形簧片軸套的初選設(shè)計厚度要適中。由銷軸軸徑r1、間隙量t0的大小和波形簧片軸套厚度t1可以確定限位拉桿的軸孔內(nèi)徑r2。因為限位拉桿是二力桿，根據(jù)拉桿受力情況初選桿徑與軸孔外徑尺寸，且限位拉桿可以根據(jù)空間布置的需要設(shè)計成雙排桿或多排桿。各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，初步獲得柔性限位拉桿的整體設(shè)計方案并對其進行有限元仿真分析，通過仿真獲得其剛度特性曲線和應(yīng)力分布，若初步方案滿足性能設(shè)計要求和強度要求就得到最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，否則需根據(jù)反饋的信息對結(jié)構(gòu)做出修改，確定最終結(jié)構(gòu)方案。

3 車輛柔性限位拉桿設(shè)計及有限元分析

為了驗證所設(shè)計的柔性限位拉桿是否具有滿足設(shè)計要求的剛度特性，筆者針對典型車輛進行了柔性限位拉桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，并對設(shè)計完成的柔性限位拉桿進行有限元仿真分析［8-9］。該車輛額定載質(zhì)量為23 t，限位行程H為83.8 mm，已知油氣彈簧剛度特性和導(dǎo)向機構(gòu)與限位拉桿的長度，按照所提出的柔性限位拉桿流程設(shè)計了柔性限位拉桿各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1 所示。

表1 柔性限位拉桿結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

為確保結(jié)構(gòu)強度安全可靠，限位拉桿選取抗拉強度較好的70 鋼，連接銷軸采用綜合性能較好的40Cr，波形簧片軸套采用屈服強度較高的彈簧鋼。確定結(jié)構(gòu)參數(shù)后，基于Abaqus 有限元軟件進行仿真分析。柔性限位拉桿的限位過程是一個非線性接觸問題，在Abaqus 中可作為準靜態(tài)問題處理［10］，并采用顯式算法進行分析，為減小計算規(guī)模，可將整個運動過程看作平面應(yīng)力問題進行計算。根據(jù)設(shè)計要求建立有限元模型，幾何模型建好后，定義相關(guān)的屬性參數(shù)，設(shè)置分析步，選取需要輸出的變量，在接觸面的設(shè)置中定義兩個接觸對，銷軸外壁和波形簧片內(nèi)表面為一個接觸對，拉桿吊耳軸孔內(nèi)壁和波形簧片外表面為另一個接觸對。施加約束和載荷時，在限位拉桿的桿件中部約束全部自由度。為了模擬實際情況下的沖擊載荷，將連接銷軸的外圓柱面耦合于一個控制點，并選取連接銷軸的幾何中心作為控制點。經(jīng)計算得到的拉桿受到的最大拉力為9 000 N 左右，可按10 000 N 進行加載計算。加載后進行網(wǎng)格劃分，共得到5 076 個單元，6 051 個節(jié)點，模型網(wǎng)格劃分圖如圖8 所示，圖9 和圖10 分別是d1點前后限位拉桿結(jié)構(gòu)的位置狀態(tài)(圖8 圈中區(qū)域)，最大受力下的最大應(yīng)力為1 199 MPa，最大位移為3.132 mm。

圖8 柔性限位拉桿網(wǎng)格劃分效果圖

圖9 d1 點之前限位拉桿的位置狀態(tài)

圖10 d1 點之后限位拉桿的位置狀態(tài)

由計算結(jié)果可以看出，所設(shè)計的柔性限位拉桿受到的最大應(yīng)力為1 199 MPa，小于高強度彈簧鋼的屈服應(yīng)力，滿足拉桿設(shè)計的強度要求，根據(jù)計算結(jié)果得到的載荷-位移試驗數(shù)據(jù)可以獲得柔性限位拉桿的載荷-位移曲線，如圖11 所示。從圖11 可以看出，當限位拉桿在正常的限位行程內(nèi)時，柔性限位拉桿的整體剛度較小;當限位拉桿超出限位行程后，柔性限位拉桿的整體剛度急劇增大，剛度呈非線性變化，且剛度變化的拐點d1位于最大間隙量t0附近，符合柔性限位拉桿的結(jié)構(gòu)特點，其剛度特性滿足圖3 的設(shè)計要求，因此該設(shè)計方案是可行的。由于受柔性限位拉桿結(jié)構(gòu)的限制，這種變剛度的非線性特性并非與圖3 完全吻合，但滿足圖3 所要求的非線性趨勢，且制造成本較低，實際運用中具有良好的效果。

圖11 柔性限位拉桿載荷-位移曲線

4 結(jié)論

(1)通過對帶波形簧片軸套的柔性限位拉桿的設(shè)計計算和仿真分析，說明該柔性限位拉桿是有效可行的，且其結(jié)構(gòu)簡單可靠，柔性限位的效果良好。該柔性限位拉桿的設(shè)計方法還可以應(yīng)用于商用車駕駛室的懸置裝置中，同樣可以起到較好的限位效果。

(2)工程實際中，橡膠軸套材質(zhì)較軟，能緩沖限位沖擊，但耐壓能力較差，長時間受壓易被壓碎。而傳統(tǒng)的鋼制軸套剛度較大，不能滿足柔性限位理想弧度曲線的剛度要求，因此采用波形簧片軸套更有性能優(yōu)勢，能更好地滿足剛度需求。

(3)車輛行駛前需根據(jù)車輛載荷狀況調(diào)整油氣彈簧，保證限位前導(dǎo)向機構(gòu)和柔性限位拉桿處于水平狀態(tài)。此外，由于車輛行駛時牽引懸置裝置受到的載荷是低頻的，不會形成柔性限位拉桿的高頻振蕩，滿足了平順性要求。

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