某無(wú)人車轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮棟梁， 寧 丹， 趙 寧， 劉海濤， 蔡文斌

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

某無(wú)人車轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮棟梁， 寧 丹， 趙 寧， 劉海濤， 蔡文斌

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

根據(jù)某無(wú)人車外定子輪轂電機(jī)和雙橫臂獨(dú)立懸架的外形尺寸，設(shè)計(jì)了不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向節(jié)，并采用Adams軟件和HyperWorks軟件分別進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算、剛強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化研究，結(jié)果表明轉(zhuǎn)向節(jié)剛強(qiáng)度小于材料的許用應(yīng)力，重量輕巧，符合設(shè)計(jì)要求。

轉(zhuǎn)向節(jié)；輪轂電機(jī)；雙橫臂獨(dú)立懸架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剛強(qiáng)度計(jì)算；拓?fù)鋬?yōu)化

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)一般會(huì)包括轉(zhuǎn)向節(jié)臂端和轉(zhuǎn)向節(jié)軸端兩部分.轉(zhuǎn)向節(jié)圓錐軸上一般裝有一對(duì)圓錐滾子軸承，使轉(zhuǎn)向節(jié)與制動(dòng)器和輪轂相連.圓錐軸端采用螺母緊固輪轂與軸承，使得轉(zhuǎn)向節(jié)可以承受來(lái)自地面的制動(dòng)力、縱向滾動(dòng)阻力和垂向支承力.而轉(zhuǎn)向節(jié)臂端則根據(jù)懸架形式一般采用球銷結(jié)構(gòu)與控制臂以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連.某無(wú)人車采用外定子輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并采用雙橫臂獨(dú)立懸架底盤，需要設(shè)計(jì)出與外定子輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)輪以及雙橫臂獨(dú)立懸架相匹配的轉(zhuǎn)向節(jié).新的轉(zhuǎn)向節(jié)一方面需要和輪轂電機(jī)以及轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過螺栓緊固連接，另一方面需要和采用球頭銷連接結(jié)構(gòu)的上下橫臂錐孔連接.

首先根據(jù)功能需要完成轉(zhuǎn)向節(jié)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后在動(dòng)力學(xué)軟件中完成動(dòng)力學(xué)計(jì)算，最后利用有限元軟件對(duì)初始結(jié)構(gòu)完成有限元建模，剛強(qiáng)度計(jì)算以及拓?fù)鋬?yōu)化，最終得到既滿足剛強(qiáng)度要求，又兼顧外形且得以輕量化的新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié).

1 轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該轉(zhuǎn)向節(jié)在設(shè)計(jì)之初，根據(jù)外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的外殼尺寸及連接方式限制了轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂電機(jī)連接端的尺寸，同時(shí)經(jīng)過雙橫臂獨(dú)立懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化后確定了該轉(zhuǎn)向節(jié)與雙橫臂連接鉸點(diǎn)的具體位置和尺寸，最后根據(jù)轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化得到了轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂的連接結(jié)構(gòu)和具體尺寸，這些尺寸值都是設(shè)計(jì)約束，相關(guān)結(jié)構(gòu)在后期是不能更改的，屬于非設(shè)計(jì)區(qū)域.根據(jù)需求，該轉(zhuǎn)向節(jié)可以分為轉(zhuǎn)向節(jié)盤端和轉(zhuǎn)向節(jié)臂端兩部分.轉(zhuǎn)向節(jié)盤端采用一圈螺栓連接輪轂電機(jī)外定子殼；轉(zhuǎn)向節(jié)臂端采用球銷連接上下橫臂，采用螺栓連接轉(zhuǎn)向節(jié)臂.

初步設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向節(jié)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)初始結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)稱設(shè)計(jì)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接端是考慮到無(wú)人車單軸車輪左右鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)向節(jié)可以左右互換，在施加載荷約束時(shí)只施加在起作用的那一個(gè)連接端.

2 轉(zhuǎn)向節(jié)的剛強(qiáng)度計(jì)算

2.1 網(wǎng)格劃分[1]

將轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型(見圖1)采用IGS格式導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh[2]中，根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行各種幾何清理，圓倒角辨識(shí)，分區(qū)混合六面體和四面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)單元質(zhì)量做了檢查.為準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)向節(jié)和其他結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，在接觸圓孔、接觸圓錐孔和連接螺栓孔周圍將所有節(jié)點(diǎn)通過剛性單元(RBE2)連接在一起.最終建立好的有限元模型如圖2所示.

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型示意圖

2.2 定義材料

采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)常用的球墨鑄鐵材料QT500-7.該材料屬于塑性材料，在進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，以屈服極限σs作為計(jì)算使用的極限應(yīng)力.具體參數(shù)如表1所示.

表1 材料特性參數(shù)

2.3 施加載荷及邊界條件

根據(jù)該無(wú)人車行駛時(shí)車輪的受力狀況，對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)按照3種危險(xiǎn)工況進(jìn)行計(jì)算分析，即:緊急制動(dòng)工況、側(cè)滑工況、和越過不平路面工況.將轉(zhuǎn)向節(jié)盤與輪轂電機(jī)定子外殼連接的12個(gè)螺栓孔處施加6自由度全約束.

在Adams 動(dòng)力學(xué)軟件中對(duì)整車進(jìn)行3種極限工況受力計(jì)算，得到轉(zhuǎn)向節(jié)上下橫臂球銷點(diǎn)和轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接點(diǎn)在x、y和z方向的受力大小，如表2～表4所示.

表2 緊急制動(dòng)工況下各點(diǎn)受力 N

表3 側(cè)滑工況下各點(diǎn)受力 N

表4 越過不平路面工況下各點(diǎn)受力 N

2.4 轉(zhuǎn)向節(jié)剛強(qiáng)度計(jì)算分析[2]

采用Radioss軟件，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)3種極限工況下的剛強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，其相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果見圖3～圖8。圖3和圖4為緊急制動(dòng)工況應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果.圖5和圖6為側(cè)滑工況下應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果.圖7和圖8為越過不平路面工況下應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果.

圖3 緊急制動(dòng)工況應(yīng)力圖

圖4 緊急制動(dòng)工況變形圖

圖5 側(cè)滑工況應(yīng)力圖

圖6 側(cè)滑工況變形圖

圖7 越過不平路面工況應(yīng)力圖

圖8 越過不平路面工況變形圖

3種極限工況下的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如表5所示.

表5 3種工況下的剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果列表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)向節(jié)在越過不平路面工況下的最大應(yīng)力為294 MPa，制動(dòng)工況下的最大應(yīng)力為291 MPa，均小于材料的屈服強(qiáng)度320 MPa，應(yīng)力最大值點(diǎn)處都集中在上球鉸與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角處，應(yīng)變最大值點(diǎn)處都出現(xiàn)在上橫臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的球銷支撐平面端，可見這兩處的結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)，以減小應(yīng)力集中和過大的應(yīng)變.從計(jì)算結(jié)果還可看出，轉(zhuǎn)向節(jié)盤端大部分區(qū)域應(yīng)力和應(yīng)變都較小，屬于可以減重去除的材料，具體需要如何處理則需要進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.

3 轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算

拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法[3]，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中重要的技術(shù).通過拓?fù)鋬?yōu)化可以在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布或傳力路徑，從而使結(jié)構(gòu)在滿足各種性能的條件下達(dá)到重量最輕.在運(yùn)用OptiStruct軟件分析時(shí)，計(jì)算機(jī)能夠針對(duì)每個(gè)單元的材料特性和給定的約束，改變材料分布，以優(yōu)化用戶定義的設(shè)計(jì)目標(biāo).

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是將尋找結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)最優(yōu)材料分布問題.通過產(chǎn)品拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)載荷條件和邊界條件確定一個(gè)比較合理的結(jié)構(gòu)形式.該結(jié)構(gòu)形式不涉及具體的尺寸設(shè)計(jì)，只提供了一個(gè)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)人員結(jié)合加工可行性和工藝分析來(lái)決定最終的具體設(shè)計(jì).

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化定義

拓?fù)鋬?yōu)化過程主要包括三部分:1)定義設(shè)計(jì)及非設(shè)計(jì)區(qū)域;2)定義優(yōu)化參數(shù);3)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.

首先定義設(shè)計(jì)及非設(shè)計(jì)區(qū)域，在轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型中，將與輪轂電機(jī)和轉(zhuǎn)向節(jié)臂的螺栓連接處，以及和上下橫臂球銷的錐孔連接區(qū)域定義為非設(shè)計(jì)區(qū)域，其余部分定義為設(shè)計(jì)區(qū)域，然后定義優(yōu)化響應(yīng).根據(jù)前面對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的剛強(qiáng)度有限元分析得知，該轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變相對(duì)過大，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮變形量的影響.最后定義優(yōu)化響應(yīng)的體積參數(shù)最小化為目標(biāo)函數(shù).

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

定義完拓?fù)鋬?yōu)化的各個(gè)參數(shù)后，運(yùn)行OptiStruct軟件，在經(jīng)過13次迭代后，得到0.015密度閥值下的轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖9所示.

圖9 0.015密度閥值時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

從圖9可以看出，深色部分為轉(zhuǎn)向節(jié)不可缺少結(jié)構(gòu)連接部分，除此以外其他剩余部分為0.015密度閥值時(shí)保留下來(lái)的部分，可見轉(zhuǎn)向連接的大盤其實(shí)大部分都是不需要的，但是轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂電機(jī)連接的螺栓孔是需要保留的結(jié)構(gòu)，而其他部分則可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.

3.3 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，最終確定轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖10所示.該結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向節(jié)盤端的盤面上進(jìn)行了大塊結(jié)構(gòu)的減重，只留下一些輪輻結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋.在不考慮左右互換時(shí)，可以舍棄前期保留的轉(zhuǎn)向節(jié)臂對(duì)稱連接端設(shè)計(jì)，使得轉(zhuǎn)向節(jié)重量進(jìn)一步減輕.

圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)在3種工況下的應(yīng)力仍在材料的屈服強(qiáng)度內(nèi)，再次建立新結(jié)構(gòu)的有限元模型并進(jìn)行強(qiáng)度校核，其結(jié)果見圖11～圖17.計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)滿足剛強(qiáng)度要求，強(qiáng)度均小于材料屈服強(qiáng)度320 MPa，應(yīng)變也沒有變大.

圖11 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

圖12 緊急制動(dòng)工況應(yīng)力圖

圖13 緊急制動(dòng)工況變形圖

圖14 側(cè)滑工況應(yīng)力圖

圖15 側(cè)滑工況變形圖

圖16 越過不平路面工況應(yīng)力圖

圖17 越過不平路面工況變形圖

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)在3種極限工況下的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如表6所示.

表6 3種工況下的剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果列表

從表6可以看出:拓?fù)鋬?yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)變都比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前有了較大的減小，應(yīng)力也都在材料允許的屈服強(qiáng)度320 MPa以內(nèi)，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足了設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié) 論

通過對(duì)某無(wú)人車的轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析、有限元?jiǎng)倧?qiáng)度計(jì)算以及拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向節(jié)既滿足性能需求，又實(shí)現(xiàn)了輕量化，滿足了設(shè)計(jì)需求.

[1] 張 琦，鄭松林，金曉春,等. 汽車后轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 現(xiàn)代制造工程，2014，(4)：42-47.

[2] 王鈺棟，金 磊，洪清泉. HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：104-153.

[3] 洪清泉，趙 康，張 攀. OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：55-70.

Optimal Design of Knuckle for an Unmanned Vehicle

FENG Dong-liang， NING Dan， ZHAO Ning， LIU Hai-tao， CAI Wen-bin

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

According to the overall dimension of the outside stator hub motor and the double wishbone independent suspension, knuckle is designed differently from the traditional structure. Adams software and HyperWorks software are used for the dynamic calculation, the stiffness analysis and topology optimization. The results show that the stiffness of knuckle is less than the allowable stress of the material and light weight, which meet the design requirements.

knuckle；hub motor；double wishbone suspension；structure design；rigid strength calculation；topological optimization

1009-4687(2017)01-0059-06

2016-12-25.

馮棟梁(1983-)，男，工程師，研究方向?yàn)檐囕v工程。.

U463.46

A