汽車車橋結(jié)構(gòu)的有限元分析

劉 昕

(西安汽車職業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710600)

0 前言

作為汽車的承載模塊，車橋是整車結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)汽車整體性能具有直接的影響。有限元分析廣泛應(yīng)用于各種線性和非線性問(wèn)題，是一種分析大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的有效方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析已成為結(jié)構(gòu)分析的常用方法，可以實(shí)現(xiàn)多種幾何形狀、邊界條件的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化[1]。因此，采用有限元分析探究汽車車橋的結(jié)構(gòu)特性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 汽車車橋結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 車橋結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)入

本文以某品牌越野車為例進(jìn)行車橋結(jié)構(gòu)有限元分析。該越野車搭載了前置發(fā)動(dòng)機(jī)，采用四輪四驅(qū)方式，核定乘員為4人，最高車速大于120 km/h。前后懸架均采用空氣彈簧式懸架，整車采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)采用鉗盤(pán)式制動(dòng)器。整車電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)均采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)布置，系統(tǒng)的一體化程度較高。該越野車的其他技術(shù)參數(shù)為：軸距3 800 mm，輪距1 680 mm，整備質(zhì)量3 800 kg，額定總質(zhì)量5 800 kg，前橋最大軸荷2 000 kg，后橋最大軸荷3 800 kg。

1.2 有限元建模

MSC.Patran軟件是一款有限元分析求解器，具有工程分析、干涉報(bào)警、用戶自定義、結(jié)果評(píng)估等功能，可以實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造整個(gè)流程的性能仿真[2]。采用MSC.Patran軟件對(duì)某品牌越野車的車橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和有限元網(wǎng)格劃分。

該車橋結(jié)構(gòu)的有限元分析實(shí)體包括4個(gè)點(diǎn)約束和4個(gè)面約束。其中，每個(gè)點(diǎn)約束包括3個(gè)平移自由度約束和1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度約束[3]。為了準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)體部件信息，可從空間視角著手，僅考慮3個(gè)平移自由度，進(jìn)行實(shí)體幾何形狀的真實(shí)逼近，獲得反映汽車車橋結(jié)構(gòu)全部幾何變換的有限元模型。

經(jīng)過(guò)有限元網(wǎng)格劃分后的汽車車橋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。通過(guò)有限元網(wǎng)格計(jì)算，該車橋結(jié)構(gòu)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10 951個(gè)，單元體數(shù)量為6 352個(gè)，網(wǎng)格劃分密度較高的位置處于車橋變截面區(qū)域。

圖1 車橋結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型

1.3 材料配置

在建模過(guò)程中，忽略了汽車車橋安裝縫隙、進(jìn)油孔和倒角等細(xì)部結(jié)構(gòu)，僅根據(jù)車橋組件部位差異進(jìn)行不同材料的配置[4]。該汽車車橋結(jié)構(gòu)主要部件的材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 汽車車橋結(jié)構(gòu)主要部件的材料性能參數(shù)

2 靜力學(xué)分析

2.1 最大制動(dòng)力工況

在車輛滿載并處于緊急制動(dòng)的工況下，不考慮側(cè)向力的影響，汽車車輪不僅要承受來(lái)自地面的制動(dòng)應(yīng)力，還要承受垂直載荷應(yīng)力。其中，最大地面制動(dòng)應(yīng)力為車輛在滿載時(shí)相對(duì)于車輛在水平路面靜止時(shí)車橋施加的載荷應(yīng)力。通過(guò)該車輛的實(shí)際行駛工況試驗(yàn)測(cè)得，該數(shù)值為990.0 MPa[5]。由于車輛滿載并處于緊急制動(dòng)工況下，其最大制動(dòng)力可轉(zhuǎn)化為施加在后輪空氣彈簧座外側(cè)的2 個(gè)垂直力和施加在輪轂內(nèi)軸上的扭矩，可設(shè)定約束條件為：車橋端面位置節(jié)點(diǎn)的X軸方向平移、Y軸方向平移和Z軸方向平移，以及沿Y軸方向的旋轉(zhuǎn)。

在車輪與地面附著系數(shù)為0.7的情況下，在緊急制動(dòng)工況下車輪處于滑動(dòng)狀態(tài)，車橋結(jié)構(gòu)承受的制動(dòng)力為最高水平，測(cè)得最大制動(dòng)力為3 480.0 N。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式測(cè)算，由最大制動(dòng)力引起的扭矩為最大制動(dòng)力與扭矩系數(shù)(系數(shù)為0.66)的乘積，該扭矩為2 241.6 N·m。在最大制動(dòng)力工況下，運(yùn)用MSC.Patran軟件對(duì)汽車車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最大制動(dòng)力工況下車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力值

由表2可知，該車輛在最大制動(dòng)力工況下，車橋的最大應(yīng)力值為70.0 MPa，位于車橋頭部，小于材料的屈服強(qiáng)度極限和抗拉伸強(qiáng)度極限，滿足車橋結(jié)構(gòu)的可靠性要求。

2.2 最大驅(qū)動(dòng)力工況

在行駛路面比較平坦，車輛處于滿載且驅(qū)動(dòng)力最大的工況條件下，此時(shí)汽車車橋結(jié)構(gòu)主要受到車身載荷、對(duì)應(yīng)輪胎的反作用力及車橋切向力的作用，且均處于最大值。在不考慮側(cè)向力和特殊路面條件的情況下，由傳動(dòng)軸作用產(chǎn)生的切向力是威脅車橋結(jié)構(gòu)可靠性的主要因素。汽車車橋單側(cè)承受扭矩L的計(jì)算公式為：

式中，Lmax為傳動(dòng)輸出軸的扭矩最大值，單位N·m；i為減速比；n為傳動(dòng)效率。

通過(guò)計(jì)算可得，車橋單側(cè)承受扭矩L為217.2 N·m。在約束車橋邊界條件下，將該扭矩和載荷力分別施加到彈簧座兩端后，可得出在最大驅(qū)動(dòng)力工況下汽車車橋承受的應(yīng)力值，見(jiàn)表3。

表3 最大驅(qū)動(dòng)力工況下車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力值

由表3可知，車輛在最大驅(qū)動(dòng)力工況下，車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力最大值為214.5 MPa，位于空氣彈簧底座靠近車橋頭部(即半軸殼管與板簧座連接位置)，其最大應(yīng)力值小于材料屈服強(qiáng)度極限，滿足車輛在最大驅(qū)動(dòng)力工況下行駛時(shí)的車橋穩(wěn)定性要求。

2.3 最大側(cè)向力工況

在汽車滿載且發(fā)生側(cè)滑的情況下，車輛全部載荷的承受對(duì)象可認(rèn)定為發(fā)生側(cè)滑的車輪。車橋承受的側(cè)向力為汽車滿載且相對(duì)于水平路面靜止時(shí)車輛給予地面的載荷與輪胎路面?zhèn)认蚋街禂?shù)的乘積[6]。因最大側(cè)向力可轉(zhuǎn)化為側(cè)滑方向一側(cè)的施加力，可分解為水平方向的側(cè)向力、施加在Z軸上的扭矩，以及車輛另一側(cè)的垂直力。約束條件可設(shè)定為：車橋抗滑端面X軸方向的平移、Z軸方向的平移和Y軸方向的旋轉(zhuǎn)，以及另一端面的X軸方向平移、Y軸方向平移和Z軸方向平移。運(yùn)用MSC.Patran軟件，對(duì)多載荷作用下汽車車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力值進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，車輛在最大側(cè)向力工況下，車橋最大應(yīng)力約為70.0 MPa，位于車橋結(jié)構(gòu)的兩端，主要是由于車輛在高速、滿載，并處于側(cè)滑的極限工況下，與側(cè)滑方向不同的車輪垂直反向力和側(cè)向力幾乎為零，而與側(cè)滑方向一致的車輪垂直反向力和側(cè)向力則達(dá)到最大值，車橋尾部(輪轂軸承側(cè))所承受的應(yīng)力最大。該最大應(yīng)力值小于材料屈服強(qiáng)度極限，可以保證車輛在最大側(cè)向力工況下的車橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表4 最大側(cè)向力工況的車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力值

2.4 最大垂直力工況

在汽車滿載且行駛路面不平整的情況下，汽車所承受的載荷為沖擊載荷，可以忽略側(cè)向力和切向力的作用，將車橋殼體簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁。設(shè)定沖擊載荷為2.5倍滿載荷載，載荷承受部位為空氣彈簧座，施加在左側(cè)彈簧座上的載荷G左和施加在右側(cè)彈簧座上的載荷G右的表達(dá)式分別為：

式中，L左、L右分別為左側(cè)和右側(cè)空氣彈簧座中心與車橋中心位置的距離，單位mm。

最大垂直力可視為均等施加在空氣彈簧座各節(jié)點(diǎn)上的載荷力，設(shè)定約束條件為：汽車車橋一端端面節(jié)點(diǎn)的X軸方向的平移、Y軸方向的平移和Z方向的平移，以及車橋另一端面節(jié)點(diǎn)的X軸方向的平移、Y軸方向的旋轉(zhuǎn)和Z軸方向的平移。根據(jù)該車輛滿載設(shè)計(jì)質(zhì)量為9.9 t，運(yùn)用MSC.Patran軟件，對(duì)最大垂直力工況下的汽車車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力值和變形量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 最大垂直力工況下車橋關(guān)鍵位置的應(yīng)力值和變形量

由表5可知，在最大垂直力工況下，車橋關(guān)鍵位置的最大應(yīng)力值為118.9 MPa，位于車橋一端，處于材料屈服強(qiáng)度極限內(nèi)，能夠滿足車橋的安全性需求。此外，根據(jù)國(guó)家對(duì)汽車車橋結(jié)構(gòu)的可靠性要求，在車輛承受最大垂直載荷時(shí)，最大變形量應(yīng)小于1.5 mm。因此，該車輛的車橋結(jié)構(gòu)滿足最大垂直力工況下的強(qiáng)度和剛度需求。

考慮到汽車車橋一端承受的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另一端，為了避免汽車在最大垂直力工況下發(fā)生車橋端斷裂，可以在保證汽車車橋外殼受力位置一定的情況下增加車橋外殼厚度，提高車橋的剛度。一般而言，當(dāng)汽車車橋厚度為3.5 mm 時(shí)，車橋端承受的應(yīng)力處于最大值，隨著車橋厚度的增加，其所承受的應(yīng)力也會(huì)下降，最佳的車橋厚度為4.3 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用有限元分析，可以將具有多個(gè)自由度的汽車彈性連續(xù)體轉(zhuǎn)化為僅有若干自由度的單元集合體，通過(guò)數(shù)值解法可簡(jiǎn)化邊界條件復(fù)雜的大型連續(xù)載荷，為車橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。本文利用計(jì)算機(jī)軟件建立汽車車橋結(jié)構(gòu)的有限元模型。在有限元模型內(nèi)，通過(guò)分析最大垂直力、最大驅(qū)動(dòng)力、最大制動(dòng)力及最大側(cè)向力，計(jì)算汽車車橋結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力。同時(shí)，根據(jù)汽車車橋結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力的情況，優(yōu)化車橋結(jié)構(gòu)，解決車橋結(jié)構(gòu)因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的可靠性下降問(wèn)題，提高車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性。