某型整体式抗侧滚扭杆的弯曲变形分析

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摘要： 针对某型整体式抗侧滚扭杆在弯矩作用下产生的弯曲变形现象，通过理论公式计算结合有限元分析软件对其弯曲挠度进行研究，并将其与实测变形量进行对比分析，所得弯曲变形结果可供工程师在结构设计时作为空间干涉校核参考.

关键词： 抗侧滚扭杆； 弯曲变形； 挠度； Abaqus

中图分类号： U270.33；TB115.1文献标志码： B

引言

为改善车辆垂向和横向振动性能，需要相当柔软的垂向悬挂装置（如采用空气弹簧或钢弹簧），但同时也导致车体侧滚振动刚度减小，使车辆运行中车体侧滚角角位移增大，尤其是当车辆通过道岔时，车体侧滚角大，侧滚运动加剧，旅客感觉明显不舒适.一般，在无摇动转向架中央悬挂装置中设置抗侧滚扭杆（简称扭杆）装置，以调节车辆侧滚刚度[1].

扭杆一般由扭杆组件（通常由扭杆轴和扭转臂组成，也有扭杆轴和扭转臂集成一体的整体式弯扭杆）、支撑座组件和连杆组件等组成.按照支撑座相对于扭转臂的放置位置，扭杆又分为外置式扭杆和内置式扭杆.对于安装空间及限界要求较为严格的情况下，支撑座组件内置式整体式弯扭杆扭杆最优选择.当车辆发生侧滚时，扭杆轴不仅承受着较大的扭矩，同时也承受着较大的弯矩.因此，在弯、扭组合工况作用下，扭杆轴不仅发生较为明显的扭曲变形，以抵抗车辆的倾覆性；同时也发生明显的弯曲变形，这种弯曲变形将导致车辆侧滚时扭杆轴存在与车辆上其他零部件发生空间干涉的危险.

针对某型整体式弯扭杆，研究其弯曲变形规律，并通过Abaqus和试验对其进行验证.

1扭杆轴的理论挠度计算

1.1扭杆结构和材料属性

本文所研究扭杆为扭杆轴与扭转臂集成一体的整体式弯扭杆，见图1，一般情况下，扭杆在横向方向上为对称结构.

图 1扭杆三维模型简图

扭杆轴选用欧标材料52CrMoV4，其弹性模量E=210 GPa.

1.2扭杆受力分析

忽略支撑座组件处节点刚度的影响，将扭杆几何结构简化，见图2.B和C为支撑座安装位置，a为每一端垂向连杆与支撑座的中心间距；b为两端支撑座组件的中心间距；c为扭转臂的臂长；F为垂向连杆组件上所受的来自于车体的垂向载荷.

图 2扭杆几何结构示意

以扭杆轴承受扭转作用的中间BC直段为主要研究对象，按照力的平移法则，对该段的受力情况简化，见图3.其中，T为扭杆轴BC直段部位所受扭矩，T=F·c；Fz为扭杆轴与支撑座组件连接处的支撑反力，分析可知Fz=2a+bb·F.

图 3扭杆受力示意

1.3弯矩及挠度计算

以A点为原点，以距离为x的某截面进行分析，约定“左顺右逆的外力（偶）矩产生正值弯矩”[2]，则有：

当0

本文所研究的某型整体式弯扭杆，在垂向载荷为F=±70 kN作用下，其理论挠度曲线见图4，最大挠度为5.55 mm.

图 4扭杆轴理论计算挠度曲线

2有限元法计算

由于支撑座组件多为采用橡胶材料和金属制成的橡胶节点，具有较小的刚度并呈现非线性特性.同时，因橡胶节点处直接简化为一点，忽略橡胶节点与扭杆轴的配合长度等，导致扭杆轴的理论挠度与其实际挠度有所偏差.为对比研究扭杆轴的挠度理论值与实际值的误差和规律，利用Abaqus有限元分析软件对其进行验证.

整体式弯扭杆的有限元模型见图5，完全采用六面体网格进行模拟，网格数量为102 392个.橡胶节点采用55#橡胶材料.约束两个橡胶节点外圈与支撑座配合区域节点的6个自由度，垂向载荷F直接加载于整体式弯扭杆与垂向连杆联接处的中心耦合点上.[3]

图 5有限元模型

在垂向载荷F=±70 kN作用下，扭杆轴中间BC直段在垂向载荷方向的变形见图6.

图 6扭杆轴弯曲变形

将该段扭杆轴中心轴上各节点设置为一个set，输出其在垂向载荷方向上的位移曲线，见图7，最大挠度为4.46 mm.

图 7有限元验证曲线

3计算与实验对比

为验证扭杆在弯矩作用下的实际变形是否与理论计算及有限元分析保持一致，通过试验对其在垂向载荷作用下产生的挠度进行测量，见图8.试验数据拟合曲线见图9，最大挠度约5.42 mm.

图 8试验照片

图 9试验测量挠度拟合曲线扭杆的理论计算、有限元分析计算挠度与试验实测挠度对比见图10，可知：（1）对于某型整体式弯扭杆，在垂向载荷F=±70 kN作用（连杆垂向位移对应约为45 mm）下，扭杆轴中部的直段的弯曲挠度曲线呈“正弦波”变化，最大挠度约5.5 mm.在结构设计时，需注意扭杆是否有弯曲变形空间.（2）在扭杆轴挠度计算时，橡胶节点的存在虽然使得扭杆轴的理论挠度应偏小于实际挠度；但由于支撑座处支撑区域为有一定长度的包容线等因素的存在，使得扭杆轴的实际挠度与理论挠度基本相符.因此，计算扭杆轴的弯曲挠度时，可忽略橡胶节点的影响.

图 10挠度曲线对比

4结束语

分别采用理论计算方法和有限元方法对弯扭杆的弯曲变形规律进行计算，并与实测结果进行对比，得出该扭杆的挠度曲线呈“正弦波”变化，理论挠度、有限元计算挠度与实测挠度基本相符，在±70 kN载荷下最大幅值约为5.5 mm.

本文所研究扭杆为支撑座组件内置式整体式弯扭杆，后续可继续对其他结构形式扭杆的弯曲挠度进行对比研究，以便在某些特定安装空间和限界条件要求下获得最优安全设计.

参考文献：

[1]严隽耄， 傅茂海. 车辆工程[M]. 3版.北京： 中国铁道出版社， 2009.

[2]唐驾时， 彭献. 工程力学（上册）[M]. 北京： 中国科学文化出版社， 2003.

[3]卜继玲， 黄友剑. 轨道车辆橡胶弹性元件设计计算方法[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2010.