某型SUV轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王文龍，張井海，李華雷，康少峰，鄒有坤

WANG Wen-long, ZHANG Jing-hai, LI Hua-lei, KANG Shao-feng, ZOU You-kun

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000）

0 引言

近期，公司在研某型SUV在試驗(yàn)場進(jìn)行可靠性試驗(yàn)過程中，發(fā)生后轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂（如圖1所示），具體原因不詳。轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因很多，包括駕駛者操作不當(dāng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、材料強(qiáng)度不夠、鑄造缺陷、熱處理缺陷和綜合因素等[1]。

圖1 后轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂圖

作為車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件之一，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)失效斷裂的發(fā)生，往往會(huì)給客戶帶來巨大的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。車輛在行駛過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)不僅要承受來自于車身的載荷和路面的沖擊力，而且還要傳遞轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向力實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行使方向的控制，因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗沖擊性和疲勞強(qiáng)度方面都有著很高的要求。

1 后轉(zhuǎn)向節(jié)模型建立及有限元分析

1.1 轉(zhuǎn)向節(jié)模型建立

該型SUV后轉(zhuǎn)向節(jié)的材料為鑄鋁，屈服強(qiáng)度220MPa；抗拉強(qiáng)度295MPa；延伸率5%[2]。借助于CATIA軟件完成建模，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中特征包括轉(zhuǎn)向節(jié)與上橫臂拉桿連接孔1個(gè)、轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂總成連接孔4個(gè)、轉(zhuǎn)向節(jié)與后制動(dòng)鉗連接孔2個(gè)、轉(zhuǎn)向節(jié)與制動(dòng)器連接孔2個(gè)、轉(zhuǎn)向節(jié)與下擺臂連接孔2個(gè)等。

1.2 優(yōu)化前有限元分析

將模型導(dǎo)入Hypermesh中，采用實(shí)體單元TERTA4進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，應(yīng)用Hyperview對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)模型施加制動(dòng)工況載荷進(jìn)行分析[3]。后轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力云圖如圖3所示，圖3(a)危險(xiǎn)點(diǎn)最大應(yīng)力為113MPa，圖3(b)危險(xiǎn)點(diǎn)最大應(yīng)力為73.4MPa，從分析結(jié)果中可以看出轉(zhuǎn)向節(jié)的輪轂安裝孔處有帶狀應(yīng)力分布，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，需針對(duì)這些位置進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 后轉(zhuǎn)向節(jié)模型圖

圖3 后轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖

1.3 優(yōu)化后有限元分析

根據(jù)優(yōu)化前后轉(zhuǎn)向節(jié)CAE分析結(jié)果，依據(jù)企標(biāo)《拓?fù)洹⑿蚊矁?yōu)化分析方法》，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化，最終得到比較合理的改進(jìn)方案，具體措施：A區(qū)域增加壁厚；B區(qū)域加大過渡圓角，對(duì)比示意圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

圖5 后轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖

按照優(yōu)化前分析步驟，對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同工況的有限元分析，所得應(yīng)力云圖如圖5所示，沒有出現(xiàn)帶狀應(yīng)力分布，優(yōu)化效果明顯。圖5(a)危險(xiǎn)點(diǎn)最大應(yīng)力為102MPa，與圖3(a)相比降低了11MPa，約降低9.7%；圖5(b)危險(xiǎn)點(diǎn)最大應(yīng)力為59.2MPa與圖3(b)相比降低了14.2MPa，約降低30%。

1.4 結(jié)果對(duì)比

將優(yōu)化前后模型在ABQUAS中進(jìn)行六工況仿真分析對(duì)比，各工況在優(yōu)化后改進(jìn)效果顯著。改進(jìn)前后的分析結(jié)果對(duì)比明細(xì)表如表1所示，其中應(yīng)力結(jié)果為上示圖中紅色圓圈區(qū)域，單位為MPa，變化幅度單位MPa，“+”代表應(yīng)力增加，“-”代表應(yīng)力減小。

表1 改進(jìn)前后的分析結(jié)果對(duì)比

2 轉(zhuǎn)向節(jié)載荷譜分析

結(jié)合有限元分析結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)樣件完成應(yīng)變片粘貼處理，共選取8個(gè)位置點(diǎn)（如圖6所示）。將轉(zhuǎn)向節(jié)樣件安裝于整車上，依據(jù)表2（數(shù)據(jù)采集明細(xì)表）要求車速在試驗(yàn)場進(jìn)行搓板路、短波路、國情路、坑洼路、卵石路、扭曲路、凸塊路、圓餅路、魚鱗坑、比利時(shí)甲、比利時(shí)乙、比利時(shí)丙和蛇形坡等路況的載荷譜采集[4]。

圖6 應(yīng)變片粘貼位置圖

表2 數(shù)據(jù)采集明細(xì)表

借助于Ncode Glyphworks數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行各通道載荷譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理和最大應(yīng)力值提取，圖7為各通道不同路況應(yīng)力最大值。從圖中可以看出，2號(hào)通道在各路況中應(yīng)力值均最大，其中圓餅路達(dá)到極值86.9MPa，且遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度。

依據(jù)企標(biāo)《SUV車型結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)方法》在試驗(yàn)場完成6000公里耐久試驗(yàn)，經(jīng)檢查后轉(zhuǎn)向節(jié)沒有出現(xiàn)裂紋，證明了優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性。

圖7 各通道不同路況應(yīng)力值

3 結(jié)束語

針對(duì)某型SUV后轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的問題，在原有三維模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Hyperworks軟件進(jìn)行優(yōu)化前后模型的有限元分析，同時(shí)對(duì)優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)在試驗(yàn)場對(duì)不同路況進(jìn)行載荷譜采集，借助于數(shù)據(jù)處理軟件Glyphworks，計(jì)算出各通道最大應(yīng)力值，結(jié)合耐久試驗(yàn)后檢查結(jié)果，證明優(yōu)化使轉(zhuǎn)向節(jié)達(dá)到使用要求。

[1]宮偉建.拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂原因分析[J].農(nóng)民致富之友,2009:38-38.

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]袁旦.汽車轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué),2010.

[4]E.Y.Kuo,W.Loh,R.G.Muley.CAE Process for Global Durability Analysis in Support of Up-Front Design[C].SAE Paper950576.