簡化建模法在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂開發(fā)中的應用*

□ 李春芳 □ 曹鵬飛 □ 趙 文 □ 馬 娜

1.陜西通家汽車股份有限公司 汽車工程研究院 西安 710018

2.西安航天自動化股份有限公司 西安 710065

3.麥克傳感器股份有限公司 陜西寶雞 721006

1 研究背景

汽車前橋主要由軸管、前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向主銷、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿等組成，起到連接車輪與車身的作用［1］。轉(zhuǎn)向節(jié)臂是前橋的關鍵零件之一，主要作用是傳遞轉(zhuǎn)向力。轉(zhuǎn)向節(jié)臂失效將會導致汽車無法轉(zhuǎn)向，從而造成嚴重的事故，進一步威脅駕駛員及乘員的生命安全。因此，對轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度與疲勞耐久性進行分析，對于保障汽車安全行駛和人們的生命安全有非常重要的意義。

目前，國內(nèi)關于轉(zhuǎn)向節(jié)臂的研究主要集中在以下幾個方面：①通過理論計算與有限元分析相結(jié)合，研究轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度，驗證有限元分析的準確性［2］；②應用加工工藝、熱處理方法［3］和有限元分析軟件［3-8］，研究轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度、疲勞耐久和失效，提出優(yōu)化方向，提高轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度和疲勞耐久性能。

文獻［9-12］探討了不同模型邊界簡化方法、詳細建模方法在工程領域中的應用。筆者通過研究不同建模方法、不同邊界條件對轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度和疲勞損傷的影響，提出與臺架試驗邊界條件保持一致的簡化建模法。簡化建模法適用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度和疲勞耐久仿真分析，能為企業(yè)帶來效益。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂計算

2.1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩

汽車在瀝青或混凝土路面上，原地轉(zhuǎn)向阻力矩采用下述經(jīng)驗公式進行計算［2］：

式中：Mr為轉(zhuǎn)向阻力矩；f為輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，f=0.7；G1為滿載前軸軸荷；M1為滿載前軸質(zhì)量；p為輪胎氣壓，p=0.3 MPa。

2.2 載荷

作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心的力Fn1的計算式為：

式中：L1為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心到主銷的力臂；ηT為梯形機構正效率，ηT=80%。

3 有限元模型

3.1 詳細建模法

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂詳細建模法有限元模型如圖1所示。網(wǎng)格均用一階四面體Solid單元，共有86 669個單元、142 713個節(jié)點。零件之間的連接用接觸對模擬，可以提高網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度。為了使計算收斂，在建模過程中，每個接觸對與相關零件網(wǎng)格節(jié)點要求一一對應。

▲圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂詳細建模法有限元模型

3.2 簡化建模法

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂簡化建模法有限元模型如圖2所示。網(wǎng)格均用一階四面體Solid單元，共有38 987個單元、65 763個節(jié)點。轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)螺紋連接處網(wǎng)格節(jié)點要求一一對應。

▲圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂簡化建模法有限元模型

3.3 材料參數(shù)

轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料為42CrMo，材料參數(shù)見表1。

表1 42CrMo材料參數(shù)

4 強度分析條件

4.1 加載力

某車型相關參數(shù)如下：M1=1 116 kg，L1=160 mm。由式（1）～式（3）可知，原地轉(zhuǎn)向時作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心的力Fn1為7 613.3 N。

4.2 邊界條件1

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度分析時邊界條件1如圖3所示。在前梁一端全約束，在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車前進方向的力F。

▲圖3 強度分析邊界條件1

4.3 邊界條件2

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度分析時邊界條件2如圖4所示。在轉(zhuǎn)向節(jié)一端全約束，在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車前進方向的力F。

▲圖4 強度分析邊界條件2

5 疲勞耐久分析條件

5.1 邊界條件1

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久分析時邊界條件1如圖5所示。在前梁一端全約束，工況1為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車前進方向的力F，工況2為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車制動方向的力F。

5.2 邊界條件2

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久分析時邊界條件2如圖6所示。在轉(zhuǎn)向節(jié)一端全約束，工況1為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車前進方向的力F，工況2為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車制動方向的力F。

簡化建模法疲勞耐久分析邊界條件與轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久試驗方法［13］是一致的，如圖7所示。

▲圖5 疲勞耐久分析邊界條件1

▲圖6 疲勞耐久分析邊界條件2

▲圖7 轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久試驗

5.3 輸入?yún)?shù)

將邊界條件1和邊界條件2的靜強度文件輸入到疲勞耐久分析軟件中，用應力應變方法預測疲勞壽命，識別風險位置。在疲勞耐久分析軟件中，輸入轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料42CrMo的相關參數(shù)，得到應力應變曲線，如圖8所示。

轉(zhuǎn)向工況下的時間歷程曲線如圖9所示。

▲圖8 42CrMo材料應力應變曲線

▲圖9 轉(zhuǎn)向工況下時間歷程曲線

6 強度分析結(jié)果

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度分析應力云圖如圖10所示。由圖10可知，詳細建模法和簡化建模法最大應力值均產(chǎn)生在轉(zhuǎn)向節(jié)臂螺紋連接根部，此處為最大風險位置。

▲圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度分析應力云圖

7 疲勞壽命分析結(jié)果

某車型轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞損傷云圖如圖11所示。由圖11可知，詳細建模法和簡化建模法最大損傷值均產(chǎn)生在轉(zhuǎn)向節(jié)臂螺紋連接根部，此處為最大風險位置。

8 結(jié)果對比

對詳細建模法和簡化建模法分析結(jié)果進行對比，見表2。

表2 分析結(jié)果對比

▲圖11 轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞損傷云圖

由表2可知，簡化建模法相比詳細建模法，最大應力值減小了2.64%，最大損傷值減小了9.97%。

9 結(jié)論

經(jīng)臺架試驗及綜合道路試驗，用簡化建模法驗證了轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)構設計的合理性。簡化建模法在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂技術開發(fā)中已得到成功的應用。產(chǎn)品技術開發(fā)中，簡化是一種原則或方法。簡化建模法是對詳細建模法的簡化，顯然能帶來經(jīng)濟效益。

簡化建模法應用過程中，零件邊界條件必須與臺架試驗邊界條件保持一致，這是簡化建模法應用成功的必要條件。

試驗表明，簡化建模法所得出的最大應力和最大疲勞損傷值與詳細建模法所得出的結(jié)果相比有所減小，而且兩者揭示的風險位置相同，這說明簡化建模法是有效、可行的。

基于簡化建模法成功開發(fā)某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂，如果能將流程形成技術規(guī)范，那么將對其它汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂的技術開發(fā)具有指導作用，對其它機械零部件的技術開發(fā)也具有參考意義。