鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析

姜子敬 林少輝 楊磊 李振興 郭秋彥 鄭琪

吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

汽車電動(dòng)化、智能化時(shí)代人們對(duì)車輛的安全、操作穩(wěn)定性和駕駛樂趣的要求越來(lái)越高。車身和底盤結(jié)構(gòu)作為汽車安全保障的承載結(jié)構(gòu)目前仍以金屬材料為主。但隨著電動(dòng)車提升續(xù)航對(duì)整車輕量化需求的日益迫切，各大主機(jī)廠紛紛引入輕質(zhì)金屬材料研發(fā)。鋁合金相比于鋼強(qiáng)度較低，在汽車底盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受限，而在鋁合金中加入耐磨的陶瓷顆粒，形成新型的鋁基復(fù)合材料，則具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨性能。并且新型鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率與鋁合金相當(dāng)，具有良好的散熱性能。同時(shí)，陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料具有良好的剛性，可以通過組分的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滿足汽車不同使用工況要求的性能。[1]鋁基復(fù)合材料代替鋼等傳統(tǒng)汽車材料，用于底盤、車身結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵零件，特別是高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)零件，對(duì)減小整車質(zhì)量、降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、降低整車簧下質(zhì)量，提高續(xù)航里程，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的操縱性能等都具有非常積極的作用，在汽車領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料結(jié)合了陶瓷顆粒硬度高、剛度高和鋁合金密度低、塑性高的優(yōu)點(diǎn)，使其具有增強(qiáng)顆粒和鋁合金基體兩種材料優(yōu)越特性的結(jié)合，綜合性能較傳統(tǒng)鋁合金材料大幅提升，呈現(xiàn)出高比強(qiáng)度、高比剛度和高比模量。[2]鋁基復(fù)合材料的制備方法主要有外加顆粒制法和原位自生顆粒增強(qiáng)制法。外加顆粒法是傳統(tǒng)的增強(qiáng)鋁基材料制備方法，首先通過機(jī)械破損的方法得到陶瓷增強(qiáng)顆粒，然后通過攪拌鑄造或擠壓鑄造的方法獲得金屬基復(fù)合材料。[3]此種方法是依靠陶瓷顆粒和鋁合金材料的物理結(jié)合，通常稱為陶鋁。和傳統(tǒng)的外加顆粒法不同，原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒并不是將預(yù)先制備好的陶瓷顆粒通過物理結(jié)合的方法引入到鋁熔體中，而是通過高溫熔鹽經(jīng)化學(xué)合成反應(yīng)在鋁熔體中自發(fā)生成。[4]在陶瓷增強(qiáng)顆粒反應(yīng)生成的同時(shí)，鋁基復(fù)合材料的制備也同步完成。原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料由于增強(qiáng)體顆粒在熔體內(nèi)直接反應(yīng)生成，界面相容性和結(jié)合性良好，從而保證了鋁基復(fù)合材料良好的綜合性能。[7]此種鋁基增強(qiáng)復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通的鋁合金材料，先前主要應(yīng)用于航空、航天和軍工領(lǐng)域，當(dāng)前隨著材料技術(shù)和汽車行業(yè)的發(fā)展，陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已逐步擴(kuò)展在汽車底盤件應(yīng)用。本文選用了一種通過原位自生顆粒增強(qiáng)方法制備的陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析。

2 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是連接汽車方向盤與前輪軸的部件，并且與減震器相連。轉(zhuǎn)向節(jié)的功能主要有以下3部分：1）與前輪軸相連接，承擔(dān)前輪軸傳遞的力和力矩；2）承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向功能的轉(zhuǎn)動(dòng)部件；3）吸收汽車行進(jìn)過程中的震蕩。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車部件中應(yīng)力最為集中、最為復(fù)雜的零件，直接關(guān)系到汽車的安全性能。[5]因此，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)要求嚴(yán)苛，性能測(cè)試項(xiàng)目多且周期長(zhǎng)。

本研究主要以實(shí)現(xiàn)輕量化為目的，研究將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能表現(xiàn)。在改變制動(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向節(jié)裝配關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、鋁基增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用、先進(jìn)的擠壓鑄造工藝研究，開發(fā)出以新型鋁合金復(fù)合材料代替鑄鐵且滿足性能的輕量化轉(zhuǎn)向節(jié)。在現(xiàn)代轎車中主流的懸掛系統(tǒng)為麥弗遜獨(dú)立懸掛式，一般用在轎車前輪。轉(zhuǎn)向節(jié)主要與減震器、控制臂、制動(dòng)卡鉗和轉(zhuǎn)向橫拉桿相連，其位置如圖1。

2.2 材料和工藝確定

本研究選用一種市場(chǎng)成熟的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，此材料與鑄鐵性能對(duì)比如表1。由鋁基復(fù)合材料和鑄鐵材料的性能對(duì)比可以看出，兩者在伸長(zhǎng)率和屈服強(qiáng)度方面差異不大，但從輕量化角度可以實(shí)現(xiàn)以鋁基復(fù)合材料代替鑄鐵達(dá)到同等性能水平。

表1 鋁基復(fù)合材料與鑄鐵材料性能對(duì)比

擠壓鑄造是一種金屬液在機(jī)械力作用下結(jié)晶凝固的先進(jìn)成型技術(shù)。在壓力作用下，金屬液在整個(gè)凝固過程中與模具緊密接觸，增加金屬液的熱傳遞系數(shù)及冷卻率，組織更加細(xì)小，獲得的制品表面粗糙度低，尺寸精度高，同時(shí)壓力提高制品的密度，機(jī)械性能提高。壓力在凝固過程中為補(bǔ)縮提供動(dòng)力，大大減小制品中的縮孔縮松以及氣孔等缺陷。擠壓鑄造制品還可進(jìn)行焊接及熱處理。間接擠壓鑄造靠澆注系統(tǒng)將壓力傳遞給制品，易成型復(fù)雜形狀的制品。因此，本研究選用擠壓鑄造工藝進(jìn)行鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)的成型工藝。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)與原方案鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)所有硬點(diǎn)一樣，裝配關(guān)系一致，各工況滿足原鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)一樣的要求。通過對(duì)鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)與各裝配關(guān)系的分析，以裝配關(guān)系作為參考，在裝配關(guān)系不變的情況下，初步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向節(jié)的配合部位結(jié)構(gòu)。圖2為轉(zhuǎn)向節(jié)與配合件連接位置設(shè)計(jì)。

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)與連接點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)擠壓鑄造工藝成型要求與受力情況分析完善轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)，相關(guān)部位連接，結(jié)合擠壓鑄造特殊性，對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化形成初版結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

對(duì)初版結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步強(qiáng)度校核分析，發(fā)現(xiàn)減震器套筒部位較為薄弱，此位置校核最大應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度，容易發(fā)生斷裂，因此必須對(duì)此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方案為：（1）增加此位置壁厚，使其可承載更大應(yīng)力；（2）在此位置增加一個(gè)橫拉筋，分擔(dān)應(yīng)力；（3）加大過渡圓角，使應(yīng)力得到分散傳遞；（4）在轉(zhuǎn)向節(jié)后側(cè)增加一個(gè)加強(qiáng)筋，使應(yīng)力分散。對(duì)上述幾個(gè)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并強(qiáng)度校核分析，分析結(jié)果表明方案（4）可有效分散此位置的應(yīng)力集中，滿足轉(zhuǎn)向節(jié)所有工況的要求。

轉(zhuǎn)向節(jié)與卡鉗配合面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化如圖3。轉(zhuǎn)向節(jié)與制動(dòng)卡鉗裝配面的兩處加強(qiáng)筋進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，改善局部位置應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象。制動(dòng)卡鉗處強(qiáng)度過大，對(duì)其安裝面再設(shè)計(jì)，以減小產(chǎn)品重量，此零件產(chǎn)品重量1.76kg。但由于制動(dòng)卡鉗與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配后存在強(qiáng)度不足風(fēng)險(xiǎn)，可將上下兩耳加關(guān)聯(lián)強(qiáng)筋，增強(qiáng)其強(qiáng)度。

圖3 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)初版數(shù)據(jù)

圖4 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)與卡鉗配合面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

為提升安全性，對(duì)側(cè)拉筋處加強(qiáng)處理，但加強(qiáng)筋高度增高后發(fā)生與傳動(dòng)軸干涉問題。為增強(qiáng)側(cè)筋強(qiáng)度與整體強(qiáng)度，對(duì)側(cè)筋的薄厚進(jìn)行調(diào)整，增大強(qiáng)度。鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)和終版數(shù)據(jù)如圖5，此零件重量為1.838kg。

圖5 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)和終版數(shù)據(jù)

3 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度校核分析

根據(jù)車型前懸架動(dòng)力學(xué)載荷情況，建立轉(zhuǎn)向節(jié)CAE有限元模型，分析工況1-11強(qiáng)度性能。由圖6、表2轉(zhuǎn)向節(jié)使用工況強(qiáng)度校核仿真分析結(jié)果可以看出，鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)各強(qiáng)度工況下最大應(yīng)力均未超出材料屈服強(qiáng)度300MPa，滿足強(qiáng)度要求。各工況下塑性應(yīng)變均小于0.2%，滿足變形要求。最終鋁基復(fù)合材料的重量1.838kg，相比于鑄鐵結(jié)構(gòu)2.8kg，減重35%，輕量化效果顯著。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)使用工況強(qiáng)度CAE分析結(jié)果

表2 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)各工況校核結(jié)果

4 結(jié)論

陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨性能，可作為新型的輕量化復(fù)合材料應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，尤其是工況復(fù)雜的高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)零部件。本文從設(shè)計(jì)思路、材料和工藝確定方面綜合考量，進(jìn)行了鋁基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能仿真分析，可滿足鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)同等的工況性能要求，并且實(shí)現(xiàn)35%的輕量化效果。