基于热-结构耦合的某液压动力转向器结构有限元分析.pdf

2 0 1 1 年 1 0月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MAC HI NE T00L HYDRAUL I CS 0c t ． 2 0 1 1 V0 l _ 3 9 No ． 1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 9 ． 0 3 1 基于热 一结构耦合的某液压动力转向器结构有限元分析 朱茂桃 ，李凤 ，樊婷，奚润 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 2 1 2 0 1 3 摘要液压助力转向器在汽车上有着广泛的应用。由于液压油长时间的流动会使转向器温度升高，将有可能影响到汽 车的操稳性能。以某循环球式液压动力转向器为研究对象，采用有限元方法 ，建立转向器热 一结构耦合分析模型并进行了 求解 ，对比分析了有无温度载荷时转向器各零部件刚度的变化。结果表明温度对转向器各零部件的变形有一定影响，但 不会 影响到转 向器的性能 。 关键词液压动力转向器；有限元分析；热 一结构耦合 中图分类号U 4 6 3 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 91 0 6 3 Fi n i t e El e me nt An a l y s i s o f Hy dr a u l i c Po we r S t e e r i ng Ba s e d o n Th e r ma l - s t r e s s Co u pl i ng ZHU Ma o t a o，L I F e n g，FAN Ti n g，XI Run S c h o o l o f A u t o mo b i l e a n d T r a f fi c E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c p o w e r s t e e rin g i s w i d e l y u s e d i n a u t o mo b i l e s ． As t h e t e mp e r a t u r e o f t h e s t e e ri n g ri s e s wi t h t h e f l o w i n g o f h y d r a u l i c o i l ， t h e s t a b i l i t y o f t h e a u t o mo b i l e s wi l l b e i n fl u e n c e d ．T h e t h e r ma l s t r u c t u r e c o u p l i n g a n a l y s i s mo d e l o f a c i r c u l a t i n g b a l l t y p e h y d r a u l i c p o we r s t e e rin g w a s d e v e l o p e d a n d c a l c u l a t e d b y f i n i t e e l e me n t me t h o d ．T h e s t i f f n e s s v a r i a t i o n s o f t h e s t e e ri n g p a r t s u n d e r d i f - f e r e n t t e mp e r a t u r e s w e r e c o mp a r e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e mp e r a t u r e h a s a n e f f e c t o n t h e d e f o r ma t i o n o f p a ns ， b u t t h e p e rf o rm a n c e o ft h e s t e e ri n g i s n o t a f f e c t e d ． Ke y wo r d sHy d r a u l i c p o we r s t e e rin g；F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ；T h e r mal s t r u c t u r e c o u p l i n g 随着现代社会 的发展，大型的工程建设越来越 多，对工程车辆的需求越来越多，各种工程车辆的质 量也越来越大。当前轴负荷增加到一定程度后，靠人 力转动转向轮就很吃力，为使驾驶员操纵轻便和提高 车辆的机动性，最有效的方法就是在车辆转向系统中 加装转向动力装置。相对于气压系统较低 的工作压 力、庞大的部件尺寸，液压转向加力装置的工作压力 可 高达 1 0 M P a 以上 ，部件 尺寸很 小 ，并且 液压 系统 工作时无噪声 ，工作滞后时问短，而且能吸收来 自于 不平路面的冲击。所以，液压动力转向器已在各级汽 车上获得 广泛应用 。 使用有限元法进行分析可以很清楚地看出转向器 内部各零件的应力和变形状况及其配合状态。例如， 转阀处阀芯阀套的配合情况，如果阀芯或者阀套的变 形过大会使两者间摩擦增大，导致左打和右打方向盘 时的手力输出不一致。此外 ，有限元分析可以方便地 模拟一些在台架试验上不易模拟的实际工况 ，例如转 向器零部件在高温下的变形情况，从而可以迅速地看 出转向器的问题所在。另外 ，在产品设计和改进的初 期 ，甚至不用制造出转向器成品就可以对转向器进行 测试，可以有效地缩短转向器的设计和改进周期 ，减 少设计和改进 的成本 。 作者以某循环球式液压动力转向器为例，建立有 限元分析模型，基于热 一结构耦合，研究在高压下 ， 转向器的各个零部件是否能满足刚度要求、零部件的 变形是否会影响转向器的正常运转及其性能参数。结 果显示 温度对转向器各零部件的变形有一定影响， 但不会影 响到转 向器 的性能 。 1 转向器有限元模型的建立 1 ． 1 模型建立的原则 有限元计算模型的准确度直接关系到计算结果的 正确性和精确度 ，而有限元模型的规模又关系到计算 的经济性 ，这两方面对于转向器结构分析都非常关 键 。 文中的研究对象是某整体式液压动力转向器。在 建立有限元模型前 ，用 P r o ／ E建立桥壳的初步实体模 型，并按下列原则进行模型简化 1 略去功能件和非承载构件 ； 2 将连接部位作用很小的圆弧过渡简化为直 角过渡，来提高模型的计算速度； 3 在 不影 响整 体结 构 的前提 下 ，对 截 面形 状 作一定的简化； 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 3 作者简介朱茂桃， 工学博士，教授，主要从事汽车车身工程、车辆及其零部件 C A D ／ C A E技术方向研究。通信作者 李凤 ， E ma i l l i n g 1 9 8 4 1 2 1 2 6 ． c o m 。 第 1 9期 朱茂桃 等基于热 一 结构耦合的某液压动力转向器结构有限元分析 1 0 7 4 对于一些结构上的孔、台肩、凹槽等，在 截面形状特性等效的基础上尽量简化 ，对截面特性影 响不大的特征予 以忽略 。 1 ． 2建立有限元分析模型 文中主要研究的是温度对转向器零部件变形的影 响，所以主要用到 A N S Y S软件中的结构分析以及热 力 耦合分析功能 。在有 限元分析 中 ，结构 的应力状态 决定单元的类型选择。选择原则是优先考虑选择用 维数最低的单元来获得预期的结果。综合考虑该转向 器的情况，在进行不考虑温度的转向器静态刚度、强 度分析时，模型采用了3 0 1 4 7 5 个 8节点的S o l i d 4 5单 元 ，在进行热力耦合分析时，模型采用 8 6 7 5 4个二 阶的 S o l i d 9 8单元和 2 2 4 4 0个 S o l i d 5单元。模型中有 些部件是相互接触的，相互接触的部件之间间隙很 小 ，例如转阀阀芯和阀套之间的接触、阀体和壳体之 间的接触 ，对 于接触 的部分接触 面要采 用 C O N T A 1 7 3 单元 ，目标面要采用 T A R G E 1 7 0单元，此外，模型中 还用 M A S S 2 1 、R i g i d 单元作为辅助。转向器的有限元 模型如 图 1 所示 。 图 1 转向器总成有限元模型 转向阀的阀体和动力缸的缸体通过螺栓连接，由 于分析不需要 考虑螺栓的性能 ，在进行有限元模拟时 进行了简化 ，把阀体和缸体螺栓孔周围节点分别与孔 的中心建立刚性连接，再在两个中心点之间建立刚性 连接，这样就把螺栓连接模拟为刚性连接。 2 转 向器的热 一力耦合分析 该转向器是常流式的，即使方向盘未转动液压油 也保持流动。液压油长时间流动，而液压油与转向器 的各零部件之间存在摩擦 ，液压油与液压油之间的摩 擦会使液压油的温度升高。根据实际情况，液压油的 温度能达到 1 0 5℃，所以考虑在该温度下以及工作压 力分别为 1 0和2 0 MP a 情况下的热 一力耦合情况。 2 ． 1 工作压力 1 0 MP a ，温度 1 0 5℃工况下转向器 变形情况 固定转向器的安装平面，考虑到齿条活塞移动到 极限位置时螺杆的变形量和高压油腔容积最大，所以 取该位置进行热力耦合分析计算，得到转向器壳体 、 阀体和转向器螺杆的节点位移云图，其中，转向器壳 体和阀体的节点位移分布如图2所示。 N o⋯Ⅲo N NOD J M ⋯ 8T E I ⋯P 1 日 u日 i 1 ． ’ 篙 ⋯ 霉⋯ 一 一 赛焉著舞嚣 甓 l ie 甓 雹幂 宅 ‰ a 壳体 f b 阀体 图2 1 0 MP a 工作压力以及 1 0 5 o C时转向器 壳体和阀体的节点位移 m分布 对 比1 0 MP a 工作压力下有无温度载荷对转向器 零部件变形的影响，对 比结果见表 1 。可以看出温度 对转向器壳体和阀体变形量的影响比较大，但总的来 说变形量并不大。即热带来的转向器零部件的变形并 不会影响到转向器各零部件之间的配合及运转状况， 也就不会影响转向器的性能。 表 1 1 0 MP a工作压力下有无温度载荷时转 向器主 要部件 的变形对 比 1 0 8 机床与液压 第 3 9卷 2 ． 2 工作压力2 0 MP a ，温度 1 0 5℃工况下转向器 变形情况 工作压力 为 2 0 M P a 且温 度为 1 0 5℃工 况下 转 向 蓁萎萋20囊M 一Pa 220 10 MPa 鋈 lIIllPl II墨|，I 对比 工作压力下有无温度载荷时转向器 ■■■■■■■- ● - 主要部件的变形，对比结果见表 。可以发现工作 ■■■■■■■ ■■■■■ _ 压力为 和 时的情况大致相同，温度对壳体 1■■■■- ■■■■■_ 和阀体的变形量影响同样比较大，但从计算结果来 ■- ●- 看 ，该转向器主要部件在温度 1 0 5℃和工作压力分别 一 一 2 ． 3 工作压力和温度载荷共 同作用下螺杆 支撑点 据在 A N S Y S 软件中转向器的坐标方向，选择A、曰两 的变形 量 点在 、z 向的变形量进行分析 ，如 图 4所示 。 在转向器的转阀处，为了保证各空间之间的相对 } 封闭，阀芯阀套等各零部件之间的间隙非常小， 而整 I I ＼L _ 个转向器的内部承受非常大的压 力， 会使转向 器内 部 I l 零部件如螺杆等发生变形，而螺杆与阀套是一体的， I l 于是该变形就会影响到阀芯和阀套之间的间隙。间隙 l竺 l ／ 兽 。 间 隙 过 小 会 导 图 4 螺 杆 支 撑 点 示 意 图 致 零 篓 而 生 运 动 干 。 将 常 温 下 r杆 雯 萎 1 0 5 ℃ 时 热 力 耦 根据该转向器的装配关系，校核螺杆支撑点变形 合分析下的螺杆支撑点的变形量进行比较 ，结果 如表 时选择图4所示 A 、B两个位置的变形量来分析，根 3和4 表 3 1 0 、1 4 、2 0 MP a 工况下支撑点位移变化量 压力载荷 表4 1 0 、l 4 、2 0 MP a 工况下支撑点位移变化量 压力载荷 温度载荷 下转第 1 1 2页 1 1 2 机床与液压 第 3 9卷 变化为模 型中的坐标设置。对照分析两条曲线，模 板启动和停止时间非常短，合模速度比较平稳，从 图 中可知液压缸最大收缩速度为 0 ． 5 4 9 m ／ s ，整个移模 时间约为 1 ． 4 S 。 0． 6 0 ． 5 、 0 ． 4 苦 0 ． 3 0 ． 2 0 ． 1 0 ． 0 0 ． 2 0 ． 0 7 5 0 ． 0 5 0 ． 1 7 5 0 ． 3 An a l y s i s L t R u n工／ m 2 0 i o - 0 6 - 1 9 1 5 1 1 1 4 0． 3 0． 175 0． 05 0． 0 ．0． 07 5 ．0 ． 2 ／ ／ 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 A n a ly si s L a e L R u n t l s 2 0 1 0 - 0 7 - 3 0 1 0 5 6 4 0 图7 移模油缸实 图8 移模油缸位 际运动曲线 移时间曲线 6实验数据分析 为了验证模拟结果 的可靠性 ，文中对合模力为 2 0 0 0 k N 的全液压内循环二板式注塑机的合模速度做 了实验测试。将感测注塑机模板运动的位移传感器的 电压信号接至数据采集系统上，连续开合模 5次，用 数据采集系统采集对应数据，实验数据如表 2所示。 仿真结果与实验所得最大平稳运行速度进行比较，基 本 满足要求 。 表 2 合模实验数据 7结束语 1 在 A D A M S环境下对新型全液压 内循环二 板 式注塑机合模装置的机械和液压系统在同一界面下进 行集成仿真，分析不同参数下液压缸的压力、流量 、 速度以及受力情况，并结合机械系统的仿真结果，对 液压系统中各元件参数进行选取、调整和优化，其仿 真结果与实验情况基本吻合。 2 仿真结果能反映实际液压系统的动态性能， 为新型二板式注塑机合模装置液压系统的优化设计提 供理论依据。虽然实际运动速度曲线与理论曲线仍有 偏差 ，但是在许可范围之内，有待进一步完善。 参考文献 【 1 】王兴天． 中国塑料机械发展现状与出口前景 [ J ] ． 塑料 制造， 2 0 0 8 7 3 4 3 7 ． 【 2 】 杨卫民， 丁玉梅， 谢鹏程． 注射成型新技术[ M] ． 北京 化 学 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 焦志伟． 全液压内循环二板式注塑机的结构与性能研究 [ J ] ． 塑料， 2 0 0 9 ， 3 8 6 1 1 21 1 5 ． 【 4 】 李增刚． A D A M S 入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】 郭卫东． 虚拟样机技术与 A D A M S 应用实例教程 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 6 】 吴墩明． 基于 A D A M S 的液压破碎机液压系统仿真[ J ] ． 安徽工业大学学报， 2 0 0 7 ， 2 4 3 2 8 8 2 9 2 ． 【 7 】 孙成通． A D A M S ／ H y d r a u l i c s 模块的研究与应用 [ J ] ． 机 床 与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 3 8 1 4 2 ． 【 8 】MS C ． S o f t w a r e C o r p o r a t i o n ． G e t t i n g S t a r t e d U s i n g A D A M S ／ H y d r a u l i c s [ O L ] ． [ 2 0 0 61 0 0 5 ] ． 【 9 】MS C ． S o f t w are C o r p o r a t i o n ． A D A M S ／ Hy d r a u l i c s C o m p o n e n t R e f e r e n c e [ M] ． 2 0 0 6 ． 上接 第 1 0 8页 对 比表 3 和 4可以发现温度对螺杆支撑点的影 响很大，但在加上温度载荷后螺杆的变形量也还是非 常小的，最大量在 方向上都未超过 0 ． 1 5 m m，而在 零部件间隙较小 的 。 方向上最大位移也未超过 0 ． 0 2 m m。从计算结 果来 看 ，该螺 杆支撑 点在 温度 1 0 5℃ 和工作压力分别 为 l 0和 2 0 M P a时的位移量 是可以接 受 的。所 以温度 对于螺杆支撑点的影响不会改变 阀芯 阀套出的配合状况，进而也不会影响到此处的运转状 况 ，也就不会影响到转阀的性能。 3 结束语 作者应用有限元理论，建立了转 向器的热 一结构 有限元模型，对转向器分别处于温度 1 0 5℃、工作压 力 1 0 MP a 和温度 1 0 5 o C、工作压力 2 0 MP a 两种情况 进行了耦合场分析 ，得出如下结论 1 转向器整体及各零部件的刚度和强度在 l 0 MP a 工作压力下，2 0 M P a 最大压力下，以及加上温 度载荷时都是符合要求的。 2 对 比有无温度载荷时的有限元分析结果 ， 可以看出温度对转向器变形量有较大的影响，但总的 来说变形量未超过技术要求。 参考文献 【 1 】 王洋． 转阀式液压助力转向器研究[ D] ． 镇江 江苏大 学， 2 0 0 1 1 1 0 ． 【 2 】 张洪欣． 汽车设计[ M] ． 2 版． 北京 机械工业 出版社， 1 9 9 9 ． 5 ． 【 3 】 陈家瑞． 汽车构造 下册 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 2 4 7 2 8 5 ． 【 4 】 王若平 ， 蒋军， 高翔． 汽车转阀式液压动力转向器性能分 析与试验[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 6 ． 1 1 1 61 9 ．