景区旅游车辆转向支架可靠性设计提升的应用研究

景区旅游车辆转向支架可靠性设计提升的应用研究

刘海朋 1,2，张文通 1,2，李小月 1,2，张志斌 1,2，曾超 1,2，杨凯 1,2

1内燃机可靠性国家重点实验室，山东省 潍坊市 261000； 2潍柴动力股份有限公司，山东省 潍坊市 261000

摘要：针对景区多山地路况，转向系统支架失效事故多发，支架高安全系数可靠性设计和质量管控必要性凸显；从设计开发、仿真计算，可靠性验证等多维度，在零部件批产前，进行转向系统支架设计和质量进行全过程管控，制定设计和验证流程标准；转向支架设计定型完毕，进行整机、整车可靠性验证，结合实际典型工况和整车路谱，进行整车振动测试、对转向泵支架进行模态测试和应力应变分析，并对最终方案进行评审，完成结构状态固化，最终达到使用预期。

关键词：仿真计算；模态测试；振动测试；过程管控；应用实践

随着国内居民生活水准的提升，景区旅游成为国内居民节假日出行的重要选择之一，人民群众对出行感受和出行安全性的要求也越来越高，越发关注。多起景区车辆转向支架断裂导致转向及刹车失效安全事故的发生，惨痛的教训让景区旅游团体车转向支架的设计及质量管控重要性凸显。

景区车辆在运行中，转向系统的可靠性体现的是生死底线，是行车安全的最重要因素之一；良好的可靠性水平，也是产品的竞争力的可靠保障。超高安全系数、高可靠性设计方案是基础，生产制造及外购件的进行严管紧控是手段，零部件实车恶劣工况测试是方法，形成整套设计测试方案和管控体系是预控，是产品生命的有效保障。

1 景区旅游车工况特点对转向高可靠性要求凸显

景区路况：景区路险，多为一侧山体一侧悬崖，安全隐患大，安全性高的车成为景区车的必要条件；

转向动力需求：景区多为连续上下坡，坡度大、路况差，道路窄，弯道多，频繁转向，转向陡急；

图1 景区盘山公路

在满足现有国标机动车运行安全技术条件GB7258-2017、静态件技术设计规范等要求基础上应增加对景区车辆转向系统高安全系数的要求。

某主流客车景区旅游车辆当前转向支架设计安全系数满足设计限值要求，高周疲劳系数1.1。但实际运行已不满足景区工况实际需求。本文以该景区旅游车辆转向支架大幅提升设计安全系数和验证过程为例，对景区车辆转向安全设计问题进行研究。

2 转向支架仿真计算与测试

2.1 支架设计材料选择和仿真计算

表1 发动机支架选型材料列表

现有选型材料中，按照整车整机轻量化趋势选取ZL107和ZL102进行仿真计算；考量景区多山地工况选取QT450材料仿真计算。

仿真计算的一般流程如图2所示。

图2 仿真计算的一般流程

本文研究实例车型支架仿真计算结果如下：

使用ZL102、ZL107材料

a、静强度分析结果

液压泵支架的挂角位置存在明显的应力集中现象，在FRONT方向冲击下的应力集中最明显， Mises应力值为159MPa，低于材料ZL107的屈服极限185MPa，高于材料ZL102的屈服极限80MPa，风险较大。

图3各项冲击应力

表2 发动机支架选型材料列表

b、疲劳分析结果

液压泵支架材料采用ZL107，在挂角处的疲劳安全系数最小值为1.49，高于标准1.1，满足要求。

液压泵支架材料采用ZL102，在挂角处的疲劳安全系数最小值为1.02，低于标准1.1，不满足要求。

c、QT450加强方案分析结果

表3 发动机支架选型材料列表

高周疲劳系数高于1.48

对于静强度，液压泵支架采用材料QT450，各向冲击应力最大值为159MPa，QT450屈服强度为240MPa，满足要求；对于疲劳，液压泵支架采用材料QT450，满足要求；最大高周疲劳系数高于1.48。

2.2 实车测试摸底试验结果分析

对匹配本案例的客车厂车型液压泵支架优化后进行模态和振动试验，查看其模态及振动性能，评估其NVH性能是否满足要求。

实车测试测点如图示：

a、系统振动试验结果，如图

图 原地升速工况支架测点 ColorMap 图

结论：支架上各测点及液压泵上测点全转速范围内振动烈度均小于 40mm/s，处于低振动水平。

b、模态试验结果：

坐标系方向：以发动机飞轮端指向自由端为 X 轴正向，垂直向上为 Z 轴正向，右手法则确定 Y 轴正向。系统模态试验结果如表 2.1 所示，模态振型如表 2.2 所示。

2.3 技术状态固化及规范修订

针对景区多地貌多山区工况，将景区车辆划归为特殊细分市场。销售地域和售后服务保养周期都需明确，关于景区车辆增加安保件点检项，根据景区车辆运行处实际安排确认点检周期。

考虑通用性设计和耐久极限设计理念，取消铸铝件作为转向支架备选材料的备选资格，不允许因轻量化的需求选择铝件，保障可靠性和坚守安全一票否决的原则。

明确景区旅游车用发动机支架推荐使用QT450以上强度进行铸造，要求较高的可选用QT500或QT600。不允许使用一般发动机支架使用的Q235（参考GB/T700）或者510L（参考GB/T3273）。材料特性参考表1。表1 材料特性表

表1 材料特性表

3 总结

本文通过对景区车辆在运行中的事故实例分析，从细分市场角度，建立对景区旅游车辆关注点的重新构架，将行车安全的考量重点监控将高安全系数设定引入车辆特殊关注点；通过设计环节、样件样车验证流转环节进行高质量管控，将仿真测试手段合二为一相互校验，既为实车测试提供明确指向性，又通过实车测试校验设计端仿真的采信度，积累仿真与测试的贴合度经验，形成整套设计测试方案，修订改进设计评价体系，以规范性文件指导实际细分市场产品应用，给产品全生命周期以有力有效保障。

参考文献

1. 王若平.某轿车转向系统怠速振动分析与优化.重庆理工大学学报

2. 余敏.动力转向器试验台机械结构设计.机械研究与应用

3. 刘宏骏,毕凤荣,张剑.轮式装载机驾驶室噪声源分离和识别[J]工程设计学报

4. 许自顺,张强,韩奎超,等.基于声强法的装载机声源定位试验研巧[J],内燃机与动力装置

5. 汤江平.装载机噪声分析及降噪措施[J].柴油机设计与制造. 1996(01)

6. 吴凌云.轮式装载机振动噪声测试分析与改进[D]. 吉林大学.2014

作者简介：刘海朋（1985.11~），男，山东潍坊人，硕士，主要从事商用车整车配套方面工作。

收稿日期：2019-04-25