一種汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的輕量化設(shè)計(jì)

趙超塵，吳 迪，王海森，孫志遠(yuǎn)，劉蘊(yùn)博，尤廣毅，程振青，吳景錸

（1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)工程技術(shù)研究院，安徽合肥230009；2.合肥工大汽車(chē)工程技術(shù)研究院有限公司，安徽合肥230009）

0 引言

汽車(chē)輕量化是目前汽車(chē)研究的重要方向，汽車(chē)的質(zhì)量減輕可以顯著降低油耗，達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)，汽車(chē)的輕量化具有更加明顯的意義：它不僅有助于增加行駛里程，而且可以減少電池容量，從而降低電池成本。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要、最精密的零件之一，它承載著汽車(chē)所受的各種載荷與力矩，它的合理設(shè)計(jì)是保證汽車(chē)安全行駛的重要條件［1］。本文作者對(duì)一種球墨鑄鐵材料的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，首先通過(guò)更換轉(zhuǎn)向節(jié)材料達(dá)到減重效果。將轉(zhuǎn)向節(jié)材料整體更換為鋁合金后，在某種常見(jiàn)汽車(chē)行駛垂直沖擊工況下分析發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力值較大、強(qiáng)度不滿足要求的現(xiàn)象。因此，采用部分更換材料的優(yōu)化方案，即使用鋼套將轉(zhuǎn)向節(jié)主體與輪轂法蘭連接，鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)主體通過(guò)螺栓連接。除此之外對(duì)原驅(qū)動(dòng)軸套的壁厚進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)一些連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化以達(dá)到強(qiáng)度和剛度需求。優(yōu)化后對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行多種常見(jiàn)使用工況應(yīng)力分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各種工況下轉(zhuǎn)向節(jié)均滿足要求。對(duì)輕量化設(shè)計(jì)前后質(zhì)量進(jìn)行比較分析，減重效果明顯，因此該輕量化設(shè)計(jì)方案具有可行性。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)載荷的確定

為了減少轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)周期以及產(chǎn)品試驗(yàn)次數(shù)，需要對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度校核。強(qiáng)度校核包括靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度：轉(zhuǎn)向節(jié)靜強(qiáng)度性能指能夠抵抗汽車(chē)行駛過(guò)程中在極限工況下的強(qiáng)度，即抵抗瞬時(shí)承受到可能的最大載荷的能力；疲勞強(qiáng)度指在常用工況下零件能夠使用的時(shí)間。本文作者將從轉(zhuǎn)向節(jié)的靜強(qiáng)度分析出發(fā)，分析不同工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的受力情況。常見(jiàn)的工況類型有通過(guò)不平路面的沖擊載荷、誤操作或緊急制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力與縱向沖擊、在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向沖擊力［2］。為了能夠?qū)嶋H反映汽車(chē)在各種路況中的轉(zhuǎn)向節(jié)受力情況，選擇剎車(chē)、轉(zhuǎn)向、剎車(chē)+轉(zhuǎn)向、單車(chē)輪最大垂直加速度以及整車(chē)最大垂直加速度等典型工況進(jìn)行分析。表1為不同工況下的載荷加載情況，X方向?yàn)槠叫信c地面指向后方，Y方向?yàn)橹赶蝰{駛員右側(cè)，Z方向?yàn)樨Q直向上。

2 有限元模型的建立與分析

為了研究轉(zhuǎn)向節(jié)的靜強(qiáng)度性能，需要對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行不同運(yùn)行工況下的有限元分析。此次轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化對(duì)象為某款常見(jiàn)鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)，首先保持結(jié)構(gòu)不變，將原材料由球墨鑄鐵更換為鋁合金ZL114A-T6時(shí)，分析轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度是否滿足要求。在Nastran中創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)的參數(shù)化模型，對(duì)于金屬材料ZL114A-T6合金，其基本屬性一般包括彈性模量E、泊松比μ、屈服強(qiáng)度σs及抗拉強(qiáng)度σb等物理量［3］，材料特性參數(shù)如表2所示［4］。

表1 汽車(chē)不同運(yùn)行工況

表2 ZL114A-T6合金材料力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)輪轂與車(chē)輪連接，在受不同載荷的工況中，轉(zhuǎn)向節(jié)相對(duì)于車(chē)身運(yùn)動(dòng)，它并非處于靜止平衡狀態(tài)，難以得到一個(gè)完全平衡的外載荷力系，在有限元分析中利用約束加載法并不能更真實(shí)地模擬實(shí)際邊界條件，為此可以使用慣性釋放法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行分析［5］。通過(guò)系統(tǒng)的不平衡力系計(jì)算出系統(tǒng)的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，再換算成慣性力與外載荷形成平衡力系，從而讓剛體運(yùn)動(dòng)受到完全約束，再利用傳統(tǒng)靜力分析方法來(lái)計(jì)算。為對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行慣性釋放分析，現(xiàn)直接對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)各個(gè)連接點(diǎn)施加力載荷，各點(diǎn)位置如圖1所示。以汽車(chē)左后轉(zhuǎn)向節(jié)安裝位置為例，其中點(diǎn)A表示與前橫臂的安裝點(diǎn)，點(diǎn)B表示與縱臂的安裝點(diǎn)，點(diǎn)C表示與后橫臂的安裝點(diǎn)，點(diǎn)D和點(diǎn)E為制動(dòng)卡鉗安裝點(diǎn)。

圖1 左后轉(zhuǎn)向節(jié)各個(gè)安裝位置點(diǎn)

首先將轉(zhuǎn)向節(jié)材料整體更換為鋁合金材料ZL114A-T6并進(jìn)行有限元分析，選取3.5g垂直沖擊載荷工況這一典型工況。表3為在3.5g垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)各點(diǎn)的載荷情況。

表3 3.5g垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)各點(diǎn)的載荷情況

根據(jù)上文施加受力點(diǎn)及其載荷，用Nastran有限元分析模塊進(jìn)行有限元分析，得到CAE計(jì)算結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯涸Y(jié)構(gòu)在3.5g垂直沖擊下，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在中心大孔連接處，其最大應(yīng)力值為858 MPa，遠(yuǎn)超本身材料的屈服強(qiáng)度240 MPa，極易出現(xiàn)強(qiáng)度破壞，從而影響車(chē)輛行駛安全。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)原部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖3所示，轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量由8.1 kg降低至5.1 kg，減重比例達(dá)到37%。針對(duì)在大垂直沖擊工況下轉(zhuǎn)向節(jié)軸套上連接處應(yīng)力較大的情況，對(duì)原結(jié)構(gòu)作如下優(yōu)化改進(jìn)：（1）在轉(zhuǎn)向節(jié)上增加一個(gè)鋼套，此鋼套通過(guò)5個(gè)螺栓與轉(zhuǎn)向節(jié)主體結(jié)構(gòu)嵌套在一起，提升該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限。（2）對(duì)驅(qū)動(dòng)軸套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加驅(qū)動(dòng)軸套壁厚，使其滿足強(qiáng)度要求。 （3）在橫臂和縱臂連接結(jié)構(gòu)增加孔洞結(jié)構(gòu)，以減小轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量。

圖2 原結(jié)構(gòu)更換材料后CAE計(jì)算結(jié)果 （垂直3.5g）

圖3 新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)對(duì)比

4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力分析

在進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)之后，再進(jìn)行3.5g垂直沖擊受力分析，加載及約束方式如圖4所示。其中鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)螺栓鏈接，約束輪轂螺栓孔。在采用了新結(jié)構(gòu)后，由于轉(zhuǎn)向節(jié)各部分受力情況并不相同，故采用不同的材料，各零件采用的材料參數(shù)如表4所示。

圖4 新結(jié)構(gòu)約束及加載方式

使用Nastran先對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以得到不同工況下Von Mises應(yīng)力云圖如圖5所示，最大主應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)不同工況下Von Mises應(yīng)力云圖

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)不同工況下最大主應(yīng)力云圖

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，Von Mises應(yīng)力與最大主應(yīng)力分析結(jié)果如表5所示。所有工況下最大Von Mises應(yīng)力為167 MPa，最大主應(yīng)力為175 MPa。根據(jù)表4中ZL114A-T6的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，該轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力低于強(qiáng)度極限的75%，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足強(qiáng)度要求。

由于新增加了與轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)螺栓連接的缸套，所以還需要對(duì)缸套進(jìn)行靜力學(xué)分析。其輸入條件與轉(zhuǎn)向節(jié)相同，不同工況下的Von Mises應(yīng)力云圖如圖7所示，最大主應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 缸套不同工況下Von Mises應(yīng)力云圖

圖8 缸套不同工況下最大主應(yīng)力云圖

Von Mises應(yīng)力與最大主應(yīng)力分析結(jié)果如表5所示，所有工況下最大Von Mises應(yīng)力為495 MPa，最大主應(yīng)力為572 MPa。根據(jù)表4中40Cr的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，鋼套應(yīng)力低于強(qiáng)度極限的75%，因此鋼套滿足強(qiáng)度要求。

表5 轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果

5 結(jié)論

對(duì)某車(chē)型的后轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，從改變轉(zhuǎn)向節(jié)材料和結(jié)構(gòu)入手，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的要求。具體工作如下：

（1）使用鋁合金材料對(duì)原轉(zhuǎn)向節(jié)的球墨鑄鐵材料進(jìn)行部分替代，并適當(dāng)增加軸套壁厚以滿足強(qiáng)度要求；

（2）采用鋼套連接法蘭與轉(zhuǎn)向節(jié)主體，并使用螺栓連接鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)主體，提升連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；

（3）在轉(zhuǎn)向節(jié)的橫臂和縱臂連接結(jié)構(gòu)增加孔洞結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量；

（4）利用Nastran軟件對(duì)新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果顯示輕量化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足力學(xué)性能要求。轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量由原先的8.1 kg減輕到5.1 kg，減重比例達(dá)到37%，達(dá)到了期望的優(yōu)化效果。