基于CAE的汽車底盤關(guān)鍵緊固點(diǎn)失效研究

覃雄臻 仝家鵬 覃佳亮 郭勝會(huì)

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

現(xiàn)階段針對(duì)汽車底盤關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)松脫、異響問題，常用的方式是通過扭矩校核比較殘余預(yù)緊力與最小不滑移預(yù)緊力的大小，再以路試試驗(yàn)驗(yàn)證。該方法效率低，花費(fèi)周期長，成本代價(jià)高?；诖?，國內(nèi)外學(xué)者采用仿真的方法對(duì)螺紋連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。黃敬堯等人[1]建立了螺紋聯(lián)接簡化模型，通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，得出的結(jié)論為該模型精度滿足實(shí)際工程要求。徐衛(wèi)秀等人[2]建立了考慮螺紋細(xì)節(jié)的仿真模型，研究了參數(shù)對(duì)預(yù)緊力衰減的影響，并驗(yàn)證了該模型的精確性。Izumi等人[3]在三維有限元分析框架內(nèi)，研究了橫向載荷下支承面微滑移引起的松動(dòng)機(jī)理。Dinger 等人[4]的報(bào)告稱，對(duì)于特定的螺栓接頭，引起松動(dòng)的橫向位移可能低至0.55 mm，而與完全支承面滑動(dòng)相對(duì)應(yīng)的值為0.86 mm。

綜上所述，采用仿真的方式可以通過對(duì)緊固件尺寸結(jié)構(gòu)，接觸狀態(tài)，載荷工況，邊界條件進(jìn)行模擬，最大限度地模擬實(shí)際情況，對(duì)改進(jìn)后方案進(jìn)行驗(yàn)證。該文將運(yùn)用ABAQUS對(duì)上橫臂—后副車架異響點(diǎn)采用扭矩法與扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊工藝對(duì)比仿真，通過對(duì)比兩者預(yù)緊力衰減情況，找出導(dǎo)致異響的關(guān)鍵問題。

1 基于ADAMS的工況載荷提取

ADAMS 是一款由多個(gè)汽車公司合作開發(fā)的，專門運(yùn)用于建立整車動(dòng)力學(xué)模型的軟件，能夠在極大程度簡化建模的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確地提取動(dòng)力學(xué)信息。一般情況下，要想建立滿足工程精度要求的動(dòng)力學(xué)模型需構(gòu)建以下系統(tǒng)，即整車的前、后懸架子系統(tǒng)，車身子模型系統(tǒng)，輪胎子模型系統(tǒng)和制動(dòng)子模型系統(tǒng)?；诖?，該文運(yùn)用ADAMS 對(duì)公司某車型建立整車動(dòng)力學(xué)模型，如圖1 所示，上橫臂—后副車架連接點(diǎn)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果見表1。為保證螺紋聯(lián)接的可靠性，選擇其中過單側(cè)深坑為目標(biāo)載荷。

圖1 整車動(dòng)力學(xué)模型

表1 上橫臂-后副車架連接點(diǎn)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

2 仿真分析

2.1 上橫臂與后副車架有限元模型

將上橫臂—后副車架螺栓連接結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，如圖2 所示，包括上橫臂總成、后副車架、螺栓和螺母。

圖2 上橫臂—后副車架模型

2.1.1 網(wǎng)格模型

為提高有限元計(jì)算效率，僅提取后副車架支架部分，導(dǎo)入Hypermesh 軟件中劃分網(wǎng)格模型[5]，得到的網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格模型

2.1.2 材料模型

各部件材料模型選用彈塑性材料，螺栓和螺母材料為高強(qiáng)度鋼SCM435，被連接件材料為汽車結(jié)構(gòu)鋼SAPH440，材料屬性設(shè)置見表2。

表2 材料屬性

2.1.3 預(yù)緊力加載及工況載荷加載

采用截面法[6]對(duì)螺栓施加預(yù)緊力，創(chuàng)建被連接件中心線上的基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖4 所示，令該點(diǎn)為參考點(diǎn)RP-1，并將參考點(diǎn)與上橫臂進(jìn)行耦合，將極限工況載荷施加在參考點(diǎn)RP-1上。

圖4 被連接件中心線上基準(zhǔn)點(diǎn)

2.2 仿真分析與討論

采用扭矩法加載得到緊固點(diǎn)平均初始預(yù)緊力為55 kN，而扭矩轉(zhuǎn)角法施加的平均初始預(yù)緊力為84 kN，用模型進(jìn)行計(jì)算分析，2 種情況下所得的預(yù)緊力衰減曲線如圖5（a）與5（b）所示。

圖5 （a）扭矩法加載預(yù)緊力衰減曲線

圖5 （b） 扭矩轉(zhuǎn)角法加載預(yù)緊力衰減曲線

由仿真結(jié)果可知，采用扭矩法擰緊，預(yù)緊力在開始階段就出現(xiàn)急劇下降，說明連接結(jié)構(gòu)發(fā)生了相對(duì)滑移，因此出現(xiàn)異響問題。而采用扭矩轉(zhuǎn)角法后，可擰緊至屈服點(diǎn)附近，增大初始預(yù)緊力約52%，預(yù)緊力基本無衰減現(xiàn)象發(fā)生，異響問題得到解決。因此，扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊提升軸力的方法更加可靠。

3 路試效果驗(yàn)證

對(duì)上橫臂—后副車架關(guān)鍵點(diǎn)采用90 N·m+180°的擰緊工藝進(jìn)行擰緊，對(duì)比扭矩法擰緊得到的預(yù)緊力大小，見表3。試驗(yàn)結(jié)果顯示采用扭矩—轉(zhuǎn)角法擰緊工藝預(yù)緊力可以得到8.4302 kN，高于保證被連接件不發(fā)生滑移所需的最小預(yù)緊力，且離散程度較小，路試過程中連接點(diǎn)不再出現(xiàn)異響，問題得到解決。而扭矩法擰緊工藝所得扭矩平均值為121 N·m，初始預(yù)緊力平均值為55 kN，不滿足要求。

表3 扭矩轉(zhuǎn)角法（90 N·m+180°）扭矩及預(yù)緊力數(shù)值

4 結(jié)語

針對(duì)公司某車型底盤關(guān)鍵緊固點(diǎn)上橫臂—后副車架路試過程中出現(xiàn)的異響問題，通過ADAMS 提取實(shí)際工況極限載荷，建立ABAQUS 精確仿真模型，并通過路試試驗(yàn)得出了該點(diǎn)出現(xiàn)異響的原因是采用扭矩法擰緊所得的初始預(yù)緊力不足，改進(jìn)擰緊工藝，由扭矩法轉(zhuǎn)為扭矩轉(zhuǎn)角法，提升初始預(yù)緊力后，解決了異響問題。