重型商用車轉(zhuǎn)向器搖臂軸輕量化設(shè)計與優(yōu)化

宋 凈，向華榮，黎長青，劉力新

重型商用車轉(zhuǎn)向器搖臂軸輕量化設(shè)計與優(yōu)化

宋 凈，向華榮，黎長青，劉力新

（蘇州凱瑞汽車測試研發(fā)有限公司（中國汽研），江蘇 蘇州 215129）

車輛轉(zhuǎn)向器搖臂軸是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中極為重要的零部件，是確保車輛安全行駛且具有關(guān)鍵特性的零部件。搖臂軸兩端分別為齒扇、花鍵，運動循環(huán)為往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動。因此，搖臂軸會受到一定的扭矩作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。為滿足輕量化要求，在保證搖臂軸的剪應(yīng)力不降低的前提下，可以通過切除搖臂軸不承受主要力矩的部分來實現(xiàn)。文章應(yīng)用ANSYS有限元分析搖臂軸在靜力學(xué)作用下的極限工況的受力，并且參考優(yōu)化結(jié)果對搖臂軸進行輕量化設(shè)計。

商用汽車；輕量化設(shè)計；轉(zhuǎn)向器搖臂軸；有限元分析；ANSYS；優(yōu)化設(shè)計

汽車工業(yè)的迅速發(fā)展體現(xiàn)了我國制造業(yè)水平的不斷提高。其中汽車材料的輕量化技術(shù)成為整個車輛領(lǐng)域發(fā)展的重要組成部分。研究表明，整車質(zhì)量與其油耗和尾氣成正相關(guān)[1]。由此可見，汽車的輕量化有助于改善整車使用性能。為響應(yīng)節(jié)能減排的號召并且提升車輛的燃油經(jīng)濟性，商用車的輕量化設(shè)計成為主流研究熱點。本文通過對商用車搖臂軸進行ANSYS有限元分析，分析其在花鍵端固定，尺扇段端施加最大扭矩的極限工況下的受力情況，參考ANSYS有限元分析結(jié)果對搖臂軸進行輕量化設(shè)計[2]。

1 概述

車輛輕量化技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施，在保證整車結(jié)構(gòu)強度及安全性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向器搖臂軸的輕量化對于優(yōu)化整車性能、降低燃油消耗和低碳排放，能夠發(fā)揮顯著的經(jīng)濟性和環(huán)保性[3]。搖臂軸是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要組成部件，直接影響汽車安全性和操縱穩(wěn)定性[4]。為了提升輕量化汽車搖臂軸的性能，對其成形工藝的研究必不可少。

本文針對某商用車轉(zhuǎn)向器搖臂軸產(chǎn)品進行研究，對其進行力學(xué)性能特性分析，驗證其是否能夠滿足基本使用要求。輕量化汽車搖臂軸對其成形工藝提出了更高的要求，導(dǎo)致制造難度較大。因此，精準(zhǔn)制造輕量化汽車搖臂軸，需要研究工藝參數(shù)對成形的影響規(guī)律。選取準(zhǔn)確的工藝參數(shù)與輕量化汽車搖臂軸的精確制造密不可分。建立有限元模型，采用有限元分析的方法，針對空心圓柱直徑變化以及圓柱深度對搖臂軸抗扭能力的影響展開研究[5]。

基于最佳工藝參數(shù)方案，為后期制定輕量化商業(yè)汽車搖臂軸實際生產(chǎn)、驗證輕量化汽車搖臂軸結(jié)構(gòu)改進的可行性和高性能輕量化汽車搖臂軸的進一步研究提供借鑒[6]。

2 空心圓柱直徑對搖臂軸的影響

通過對不同搖臂軸圓柱孔直徑的安全度進行校核比較。由圖1可知，實心搖臂軸在上述情況下的安全度為4.500 1。安全度可以反映抗扭轉(zhuǎn)能力。由虛線箭頭指向為實心搖臂軸，實心箭頭指向為搖臂軸承受剪切力較為集中的位置。

根據(jù)材料力學(xué)結(jié)論，外徑一定的空心軸，抗扭轉(zhuǎn)能力強于實心軸，并且隨著空心直徑的增加，抗扭轉(zhuǎn)能力會先增后減。同時為了防止缸內(nèi)液壓油流出，搖臂軸不能在中間出現(xiàn)通孔，齒扇端需要留至少15 mm的實心軸。因此，將搖臂軸從花鍵端端頭開始掏空，深度不能超過230 mm。

圖1 實心搖臂軸安全度系數(shù)

分析挖孔直徑為20 mm的圓柱孔，安全度為5.951 4，如圖2所示。由虛線箭頭指向可見，從搖臂軸外端向內(nèi)挖去一個直徑20 mm、深230 mm的圓柱，實心箭頭指向為搖臂軸承受剪切力較為集中的位置。

圖2 直徑20 mm搖臂軸圓柱孔分析

分析挖孔直徑24 mm的圓柱孔，安全度為6.731 5，如圖3所示。由虛線箭頭指向可見，從搖臂軸外端向內(nèi)挖去一個直徑24 mm、深230 mm的圓柱，實心箭頭指向為搖臂軸承受剪切力較為集中的位置。

圖3 直徑24 mm搖臂軸圓柱孔分析

分析挖孔直徑28 mm的圓柱孔，安全度為6.472 4，如圖4所示。由虛線箭頭指向可見，從搖臂軸外端向內(nèi)挖去一個直徑28 mm和深230 mm的圓柱，實心箭頭指向為搖臂軸承受剪切力較為集中的位置。

圖4 直徑28 mm搖臂軸圓柱孔分析

將上述分析結(jié)果整合制表，橫軸表示空心圓柱孔直徑，縱軸表示安全度，由圖5可知，隨著圓柱孔直徑的增大，安全度先增大后減小，在直徑24 mm時抗扭轉(zhuǎn)能力最強，安全度達6.731 5。此外，為了防止應(yīng)力集中，在圓柱孔的內(nèi)外端均做了2 mm的倒角設(shè)計，可以更有效地抵抗扭轉(zhuǎn)變形。

圖5 安全度隨盲孔直徑變化曲線

3 空心圓柱深度對搖臂軸的影響

在空心部分深度的問題上，分析結(jié)果也遵循材料力學(xué)的結(jié)論，即隨著空心部分深度的增加，安全度先增后減。從搖臂軸外端向內(nèi)挖去一個直徑24 mm、深80 mm的圓柱，箭頭指向為80 mm深空心軸的位置，最終分析結(jié)果安全度為5.910 4，如圖6所示。

圖6 深度80 mm搖臂軸圓柱孔分析

從搖臂軸外端向內(nèi)挖去一個直徑24 mm、深160 mm的圓柱，箭頭指向為160 mm深空心軸的位置，最終分析結(jié)果安全度為6.732 5，如圖7所示。

圖7 深度160 mm搖臂軸圓柱孔分析

從搖臂軸外端向內(nèi)挖去一個直徑24 mm、深230 mm的圓柱，箭頭指向為230 mm深空心軸的位置，最終分析結(jié)果安全度為6.662 8，如圖8所示。

圖8 深度230 mm搖臂軸圓柱孔分析

整合上述分析結(jié)果，橫軸表示空心圓柱孔深度，縱軸表示安全度，如圖9所示。隨著圓柱孔深度的增大，安全度逐漸升高，但由于齒扇下方倒角部分發(fā)生褶皺，所以在深度為230 mm時安全度略有降低。由圖9可知，在深度160 mm時抗扭轉(zhuǎn)能力最強，安全度達6.732 5；在深度230 mm時安全度與峰值相比僅僅從6.732 5降低到6.662 8，但能減去很多重量。因此，選擇230 mm的深度既能保證安全又能更好的輕量化。

圖9 安全度隨圓柱孔深度變化曲線

4 細節(jié)優(yōu)化

由應(yīng)力云圖可以看出，由于兩個軸肩是直角設(shè)計，導(dǎo)致應(yīng)力集中，改為倒角設(shè)計可以有效減輕應(yīng)力集中。由圖10、圖11可知，經(jīng)過倒角操作，安全度由4.115 1提升到了6.473 9（箭頭指示位置為安全度）。設(shè)計變化如圖12、圖13所示。

圖10 軸肩位置未倒角分析結(jié)果

圖11 軸肩位置倒角分析結(jié)果

圖12 安全度為4.115 1設(shè)計模型

箭頭指示位置為做倒角設(shè)計位置，圖12為原始設(shè)計，圖13為經(jīng)過倒角操作后的模型。

圖13 安全度為6.473 9設(shè)計模型

5 結(jié)論

考慮到成本及加工難度，內(nèi)部的空心孔沒有設(shè)計為變截面，外部的銑削走刀也盡可能地少。最終經(jīng)過CATIA質(zhì)量估計，原始質(zhì)量6.776 kg，經(jīng)過輕量化設(shè)計后質(zhì)量5.882 kg，減重約0.894 kg。如圖14、圖15所示。

圖14 搖臂軸原始質(zhì)量

圖15 輕量化后的設(shè)計質(zhì)量

本文基于有限元法對商用汽車搖臂軸進行輕量化設(shè)計，對比不同直徑和高度工藝參數(shù)對系統(tǒng)抗扭性能的影響，最終得出圓柱孔在直徑為24 mm，孔深為160 mm時，系統(tǒng)獲得安全度最高，并且總質(zhì)量降低0.894 kg。

[1] 王新宇.重型商用車駕駛室輕量化分析與優(yōu)化[D].長春:吉林大學(xué),2012.

[2] KIM KH,YOON G H.Aeroacoustic Topology Optimi- zation of Noise Barrier Based on Lighthill's Acoustic Analogy[J].Journal of Sound and Vibration,2020,483: 115512.

[3] 涂鳴.商用車燃油經(jīng)濟性和排氣余熱回收的數(shù)學(xué)模型與影響研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2015.

[4] ZHANG S J, SUN H Z. Modeling and Analysis of the Proportional Control Four-wheel Steering Vehicle Handling and Stability[J].Applied Mechanics and Materials,2013,2595:376-376.

[5] 張施令,胡偉,彭宗仁,等.采用有限元和粒子群算法優(yōu)化特高壓復(fù)合絕緣子均壓環(huán)結(jié)構(gòu)[J].高電壓技術(shù),2012,38(2):359-367.

[6] 聶枝根,王萬瓊,王超,等.中高速重型半掛車適時模式切換的集成控制策略[J].交通運輸工程學(xué)報,2017, 17(6):135-149.

Lightweight Design and Optimization of Steering Gear Rocker Arm Shaft of Heavy Commercial Vehicles

SONG Jing, XIANG Huarong, LI Changqing, LIU Lixin

( Suzhou Kerry Automotive Testing and R&D Company Limited (China Automotive Research Institute),Suzhou 215129, China )

The rocker arm shaft of vehicle steering gear is a very important component in the automobile steering system. It is a security and key component of the automobile system. The rocker arm shaft is composed of one end tooth fan and one end spline, and the motion cycle is reciprocating rotary motion, so the rocker arm shaft will be subjected to certain torque to produce torsional deformation. In order to meet the lightweight requirement, on the premise of ensuring that the shear stress bearing capacity of the rocker arm shaft will not be reduced, it can be realized by cutting off the part of the rocker arm shaft that does not bear the main torque. In this paper, the rocker arm shaft was put into the ANSYS finite element analysis to analyze the force under the limit working condition under the static action, and the lightweight design of the rocker arm shaft was carried out with reference to the topology optimization results.

Commercial vehicles; Lightweight design; Steering gear rocker arm shaft; Finite element analysis; ANSYS; Optimization design

U463.8

A

1671-7988(2022)21-97-05

U463.8

A

1671-7988(2022)21-97-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.018

宋凈（1983—），女，碩士，工程師，研究方向為汽車零部件、環(huán)境可靠性，E-mail:lichangqing@caeri.com.cn。