電動(dòng)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器殼體的輕量化設(shè)計(jì)＊

鄒理炎，虞忠潮，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機(jī)有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310018）

由于國內(nèi)外汽車市場發(fā)展思路更新和節(jié)能環(huán)保理念的深入人心，商用車在輕量化方面的投入越來越大。各大汽車廠為了能多拉長跑，想方設(shè)法地減輕汽車零部件質(zhì)量。眾所周知[1]，轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，更是整車的安全件之一，在不改變材料情況下，轉(zhuǎn)向器已很難減重，而殼體一般能占據(jù)轉(zhuǎn)向器一半質(zhì)量。目前市場上汽車輕量化材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金和有機(jī)基纖維復(fù)合材料等[2]，因鋁合金性價(jià)比最高，本文選用鋁合金作為轉(zhuǎn)向器殼體的輕量化材料進(jìn)行分析試驗(yàn)，但又因使用鋁合金材料會(huì)降低轉(zhuǎn)向器殼體的強(qiáng)度，因此需采用合適的鑄造與生產(chǎn)制造工藝，同時(shí)優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)來保證轉(zhuǎn)向器整體強(qiáng)度[3]。

1 電動(dòng)循環(huán)球的結(jié)構(gòu)組成

電動(dòng)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器機(jī)械部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，分析轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)[4]可得2個(gè)軸承和側(cè)蓋板位置為殼體主要受力部分，后續(xù)對殼體受力分析時(shí)需格外關(guān)注。

圖1 電動(dòng)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)

2 電動(dòng)循環(huán)球殼體輕量化方案

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器殼體普遍采用球墨鑄鐵，其強(qiáng)度大、韌性好、耐高壓，但質(zhì)量大，一般會(huì)占去轉(zhuǎn)向器的40%～50%的質(zhì)量。由于電動(dòng)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器沒有油壓系統(tǒng)，相應(yīng)耐高壓要求較低，可從材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制造方面，來達(dá)到轉(zhuǎn)向器殼體輕量化設(shè)計(jì)目的。

2.1 材料

鋁合金與球墨鑄鐵相比，密度只有球墨鑄鐵的1/3，減重的效果顯然非常明顯，但鋁和鐵力學(xué)性能對比相差很多，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此需對鋁材料加一定比例的合金來提高機(jī)械性能要求，以保證材料的抗拉強(qiáng)度滿足要求，同時(shí)還需結(jié)合實(shí)際情況對零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2.2 結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向器殼體個(gè)別部位的實(shí)際受力較大，通?？蛇_(dá)到55 kN，且最大受力部位受到整體結(jié)構(gòu)的影響，無法加強(qiáng)。因此為防止鋁合金材料殼體整體強(qiáng)度不足，對薄弱部位采用鑲鋼套和加厚進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，如圖2所示。

圖2 前后優(yōu)化方案對比

2.3 鑄造與生產(chǎn)制造工藝

鋁合金殼體在實(shí)際澆注過程中很容易產(chǎn)生氣孔和縮松，會(huì)造成漏油和殼體強(qiáng)度降低，從而引發(fā)產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)。考慮到消失模鑄造工藝可以自由設(shè)計(jì)帶有復(fù)雜內(nèi)腔的鑄件，并且消失模工藝尺寸精度高，外觀平整美觀，使用壽命更長。因此，對于鋁合金殼體的鑄造，此處用消失模替代傳統(tǒng)球磨鑄鐵鑄造工藝。

原殼體的內(nèi)螺紋的制造工藝為先鉆后攻絲，此類工藝適用于球墨鑄鐵件，殼體材料變化后，先鉆后攻絲所生產(chǎn)出的螺紋強(qiáng)度滿足不了鋁殼體的裝配螺栓預(yù)緊力要求，不適用于鋁材料。為了保證鋁殼體的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)鋁殼體采用先鉆后擠壓螺紋工藝，以使其螺紋強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。

3 CAE分析

確定轉(zhuǎn)向器殼體輕量化方案之后，使用有限元軟件對殼體進(jìn)行CAE分析[5]，來驗(yàn)證輕量化方案的可行性。已知轉(zhuǎn)向器殼體在2個(gè)軸承和側(cè)蓋板位置處受力，其承受載荷大小和方向如圖3所示，并對輕量化方案優(yōu)化前后的殼體分別進(jìn)行CAE分析。

圖3 施加載荷位置和大小

已知球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度為450 MPa，屈服強(qiáng)度為310 MPa。輕量化方案前殼體的等效應(yīng)力云圖如圖4所示，從圖4可知模型中殼體的最大應(yīng)力出現(xiàn)在殼體的內(nèi)螺紋孔處，最大達(dá)到941.41 MPa，此處球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均已無法達(dá)到該要求，可能會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)品零部件斷裂失效。

圖4 輕量化前殼體應(yīng)力云圖

已知鋁合金的抗拉強(qiáng)度為350 MPa，屈服強(qiáng)度為280 MPa。輕量化方案后殼體的等效應(yīng)力云圖如圖5所示，從圖5可知?dú)んw的最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)螺紋孔的加強(qiáng)筋處，為211.68 MPa，但此處鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度仍能滿足需求。

圖5 輕量化后殼體應(yīng)力云圖

4 臺(tái)架試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證輕量化后的鋁殼體強(qiáng)度，利用轉(zhuǎn)向器試驗(yàn)臺(tái)架對其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)運(yùn)行現(xiàn)場如圖6所示。按照試驗(yàn)要求需對轉(zhuǎn)向器總成做5萬次磨損試驗(yàn)，并分析試驗(yàn)后的鋁殼體，殼體表面無氣孔、無沙眼、無變形及無裂紋，并且試驗(yàn)完成后無滲漏，殼體密閉性良好，表明此次輕量化方案的鑄造工藝滿足產(chǎn)品要求[7]。

圖6 鋁殼體進(jìn)行臺(tái)架強(qiáng)度試驗(yàn)

與傳統(tǒng)球墨鑄鐵殼體相比，鋁殼體的整個(gè)質(zhì)量減輕到原來1/3左右，同時(shí)通過仿真驗(yàn)證和臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輕量化后的鋁殼體的強(qiáng)度較原來得到了優(yōu)化，證明此次輕量化方案是可行的。

5 結(jié)論

本文建立了輕量化前后的轉(zhuǎn)向器殼體有限元模型，并完成了殼體從三維建模、CAE仿真分析到臺(tái)架試驗(yàn)的過程。同時(shí)通過CAE分析得到輕量化前后殼體的應(yīng)力分布情況，并根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證此次輕量化方案是可行的，保證產(chǎn)品可行性的同時(shí)降低了制造成本。目前輕量化后的轉(zhuǎn)向器殼體已投入試裝，無不良市場反饋。