基于ANSYS的汽車轉(zhuǎn)向軸總成輕量化設(shè)計(jì)

徐 丹

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院,江蘇 常州 213025)

隨著汽車工業(yè)的大力發(fā)展,世界上汽車保有量的不斷增加,汽車市場的競爭愈發(fā)激烈,無論燃油車還是電動汽車,續(xù)航里程都是消費(fèi)者非常關(guān)注的重要指標(biāo)[1-2]。根據(jù)美國鋁業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示,汽車減重10%就可以使油耗減少3.3%的油耗、制動距離減少5%、轉(zhuǎn)向力減少6%[3-4]。因此汽車輕量化能夠顯著提高續(xù)航里程、減少油耗和降低電池容量,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、環(huán)保的目的[5]。

目前,汽車材料優(yōu)化是汽車輕量化發(fā)展的趨勢[6-7]。鋁合金材料具有輕質(zhì)和節(jié)能的特點(diǎn),同時可以提高車輛的舒適性和安全性,在汽車輕量化中得到廣泛運(yùn)用[8-9]。轉(zhuǎn)向軸總成由轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向傳動軸組成,是連接方向盤和轉(zhuǎn)向器的傳動元件,由于轉(zhuǎn)向軸總成在車輛行駛過程中承受各種載荷和力矩,因此在輕量化設(shè)計(jì)時也要考慮到其機(jī)械性能能否滿足要求[10]。本文基于有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建了轉(zhuǎn)向軸總成模型,根據(jù)不同負(fù)載條件下的應(yīng)力分布,通過強(qiáng)度與剛性分析,圍繞轉(zhuǎn)向軸總成的材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面展開輕量化設(shè)計(jì)。

1 原始設(shè)計(jì)模型的有限元建模與分析

1.1 有限元模型建模

本文以一款空車負(fù)載SUV(左、右前輪負(fù)載共953.83 kg)進(jìn)行分析,將整車拆卸下來的轉(zhuǎn)向軸總成作為CAD模型建構(gòu)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。通過三坐標(biāo)測量儀測量兩者的幾何尺寸,利用UG重新建立三維實(shí)體模型,再由ANSYS建立有限元素分析模型。圖1為轉(zhuǎn)向軸總成CAD模型。

圖1 轉(zhuǎn)向軸總成CAD模型

轉(zhuǎn)向軸實(shí)體結(jié)構(gòu)部分選用Solid45元素,并將網(wǎng)格分割為八節(jié)點(diǎn)正交網(wǎng)格。轉(zhuǎn)向軸的焊接部分以三角柱網(wǎng)格填充,滾珠軸承的結(jié)構(gòu)位置以填充Solid45元素建立正交網(wǎng)格,整個模型網(wǎng)格化后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為24 176個,元素為15 400個;轉(zhuǎn)向傳動軸的四組螺栓與螺母則以節(jié)點(diǎn)共點(diǎn)的方式進(jìn)行接合,萬向接頭中的十字間距則以簡易模型取代復(fù)雜的零件構(gòu)造,整個模型網(wǎng)格化后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為31 046個,元素為28 956 個。轉(zhuǎn)向軸總成的有限元模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向軸總成的有限元模型

1.2 材料屬性

在ANSYS中對轉(zhuǎn)向軸總成的材料設(shè)定如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向軸總成材料參數(shù)

1.3 邊界條件與負(fù)載設(shè)定

邊界條件的約束以四個螺栓固定處以及方向盤安裝位置作為所有自由度的約束。由于小螺旋齒輪安裝于動力方向機(jī)內(nèi)部,并由動力方向機(jī)的齒輪蓋約束住軸向位移并與滾珠軸承連接,允許小螺旋齒輪于動力方向機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn),因此小螺旋齒輪與滾珠軸承接觸環(huán)面必須對r與z方向的位移自由度進(jìn)行約束,但允許θ方向(UY)與z方向的旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。小螺旋齒輪簡易實(shí)體模型底部使用MPC184剛體梁元素連接于軸線的一個節(jié)點(diǎn),并于該節(jié)點(diǎn)向局部坐標(biāo)z方向施加25 N·m的力矩,該節(jié)點(diǎn)對r與z方向的位移自由度、x與y 方向的旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行約束,只允許θ方向(UY)與z方向的旋轉(zhuǎn)自由度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。邊界條件與負(fù)載設(shè)定如圖3所示。

圖3 邊界與負(fù)載條件

1.4 結(jié)果分析

全模型的分析結(jié)果除了參考Von Mises應(yīng)力分布圖來判斷轉(zhuǎn)向軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠之外,總變形量的大小、轉(zhuǎn)向軸局部圓柱坐標(biāo)的總變形量大小,以及萬向接頭與十字間距端于局部圓柱坐標(biāo)θ方向(UY) 的位移量大小(如圖4圈注處),該θ方向(UY)的位移量大小經(jīng)由萬向接頭的尺寸計(jì)算成扭轉(zhuǎn)角度,該角度將作為原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、以及輕量化后結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的一個參考剛性指標(biāo)。

圖4 轉(zhuǎn)向軸與萬向接頭位移量輸出處

兩種分析模型下的原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性分析結(jié)果分布圖如圖5、圖6所示。Von Mises 應(yīng)力最大分別為131 MPa和133 MPa,位置為轉(zhuǎn)向軸萬向接頭與空心結(jié)構(gòu)接合處,兩者最大的應(yīng)力均遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度454.86 MPa,因此該處不會造成結(jié)構(gòu)的破壞。最大的變形量為0.301 mm和0.311 mm,位于轉(zhuǎn)向傳動軸下段萬向接頭與小螺旋齒輪套的接觸部位。轉(zhuǎn)向軸的局部坐標(biāo)θ方向最大變形量為0.288 mm 和0.308 mm,位置也是在萬向接頭與小螺旋齒輪套的接觸部位。轉(zhuǎn)向軸萬向接頭處的θ方向位移量為0.35 mm和0.36 mm,計(jì)算成該處的旋轉(zhuǎn)角度分別為0.5°和0.51°。全模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性分析在各模型下的分析結(jié)果,如表2所示。

表2 原始設(shè)計(jì)模型的分析結(jié)果

圖5 共節(jié)點(diǎn)的原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性分析

圖6 接觸對的原始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性分析

圖7 轉(zhuǎn)向軸補(bǔ)強(qiáng)前、后 3/4 模型圖

2 模型輕量化設(shè)計(jì)及分析

2.1 輕量化設(shè)計(jì)方案

目前轉(zhuǎn)向軸總成輕量化技術(shù)主要有4種: 新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新方法[11]。為了使轉(zhuǎn)向軸利于量產(chǎn)、減少不必要的人力資源、變更生產(chǎn)線模具等等的問題,本文中輕量化的方式先以輕金屬材料鑄鋁合金ZL101A-T6作為材料變更的輕量化方法,由于幾何尺寸不變可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛性不足,故采取以下方案進(jìn)行優(yōu)化:(1)將轉(zhuǎn)向軸外殼、內(nèi)部空心圓柱、轉(zhuǎn)向傳動軸的齒輪轂以及含有齒槽的滑柱材料改為鑄鋁合金ZL101A-T6;(2)將轉(zhuǎn)向軸內(nèi)的空心柱補(bǔ)強(qiáng)為實(shí)心桿件,以達(dá)到較大的扭轉(zhuǎn)剛性。

2.2 輕量化與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性分析

按上述方案對轉(zhuǎn)向軸模型進(jìn)行重構(gòu),輕量化補(bǔ)強(qiáng)前、后3/4有限元分析模型圖如7圖所示。其在兩種分析模型下的強(qiáng)度與剛性分析結(jié)果分布如圖8、圖9所示。Von Mises應(yīng)力最大分別為84.8 MPa和84.7 MPa,位置為轉(zhuǎn)向傳動軸下方萬向接頭處,兩者最大的應(yīng)力仍低于屈服強(qiáng)度258.57 MPa,因此該處不會造成結(jié)構(gòu)的破壞。結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.503 mm和0.532 mm,位置于轉(zhuǎn)向傳動軸下段萬向接頭與小螺旋齒輪套的接觸部位。轉(zhuǎn)向軸的局部坐標(biāo)θ方向最大的變形量為0.482 mm 和0.497 mm,位置也是在萬向接頭與小螺旋齒輪套的接觸部位。轉(zhuǎn)向軸萬向接頭處的θ方向位移量為0.42 mm和0.6 mm,計(jì)算成該處的旋轉(zhuǎn)角度分別為0.6°和0.85°。結(jié)構(gòu)輕量化與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)后的總重為1.781 kg,減重效果達(dá)52.633%。

圖8 共節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)輕量化補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度與剛性分析

轉(zhuǎn)向軸總成輕量化與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)前后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性比較分析,如表4所示。從結(jié)構(gòu)剛性的差異看,原始設(shè)計(jì)的萬向接頭處扭轉(zhuǎn)角度最小為共節(jié)點(diǎn)方式仿真的0.25°, 經(jīng)過輕量化補(bǔ)強(qiáng)后扭轉(zhuǎn)角度為0.6°,差異為140%。從相對的扭轉(zhuǎn)角度差異來看,補(bǔ)強(qiáng)后的扭轉(zhuǎn)剛性仍然不如結(jié)構(gòu)的原始設(shè)計(jì),只有原始設(shè)計(jì)的一半左右。再從輕量化并補(bǔ)強(qiáng)后的剛性結(jié)果差異來看,扭轉(zhuǎn)的變形量雖然比原始設(shè)計(jì)大2倍,但總角度不到1°,所以從靜態(tài)分析結(jié)果看,對轉(zhuǎn)向軸總成采用材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的輕量化方案是可行的,分析結(jié)果可用于后續(xù)動態(tài)分析、碰撞分析的比較結(jié)果研究。

表4 輕量化與補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)前后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛性分析

3 結(jié)束語

本文采用ANSYS有限元分析軟件對汽車轉(zhuǎn)向軸總成進(jìn)行建模分析與輕量化后補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),可以得出以下結(jié)論:

(1)文中以輕量化材料鑄鋁合金ZL101A-T6代替原始材料,轉(zhuǎn)向軸總成質(zhì)量下降至1.781 kg,減重效果達(dá)到預(yù)期。

(2)在補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中,考慮轉(zhuǎn)向軸安裝位置的特殊性和生產(chǎn)成本,采用將轉(zhuǎn)向軸內(nèi)的空心柱變更為實(shí)心桿件的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),增加了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛性,其扭轉(zhuǎn)角度控制在1°以內(nèi),與轉(zhuǎn)向軸總成作動時所產(chǎn)生的背隙角度相當(dāng),不影響駕駛性能。

(3)在實(shí)際行車中,轉(zhuǎn)向軸總成還需承受來自路面的沖擊與震動,長時間承受較高的沖擊載荷容易產(chǎn)生疲勞破壞,后續(xù)有必要針對鑄鋁合金ZL101A-T6轉(zhuǎn)向軸總成進(jìn)行動態(tài)測試和碰撞測試,以確保結(jié)構(gòu)輕量化后的安全性。