雷 剛，胡 鵬，楊述松，鄧虹輝

(1.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;

2.南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

基于公差配合分析的前橋主銷結(jié)構(gòu)優(yōu)化

雷 剛1，胡 鵬1，楊述松1，鄧虹輝2

(1.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;

2.南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412000)

以輪胎起重機(jī)前橋?yàn)檠芯繉?duì)象對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。在傳統(tǒng)的強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上，考慮邊界條件的非線性問題，進(jìn)一步提出了公差配合對(duì)受力結(jié)果的影響。最后對(duì)主銷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足強(qiáng)度要求，為企業(yè)對(duì)該類產(chǎn)品的研發(fā)提供了借鑒。

有限元;非線性;公差配合

汽車的車橋(又稱車軸)通過懸架與車架(或承載式車身)相連接，兩端安裝車輪。其作用是傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間的各種作用力及其力矩［1］。根據(jù)汽車設(shè)計(jì)相關(guān)理論，為了保證工作的安全性和可靠性，對(duì)車橋進(jìn)行強(qiáng)度分析具有十分重要的意義，但是傳統(tǒng)的強(qiáng)度分析并沒有使用其邊界條件的非線性，更沒有考慮實(shí)際情況下配合公差對(duì)分析結(jié)果的影響。隨著計(jì)算機(jī)和有限元軟件的發(fā)展，有限元方法在工程實(shí)際中運(yùn)用更加廣泛，傳統(tǒng)的分析方法已不能滿足可靠性和安全性的要求［2］。

本研究針對(duì)越野輪胎起重機(jī)前橋進(jìn)行極限公況下的強(qiáng)度分析，同時(shí)通過優(yōu)化主銷結(jié)構(gòu)來降低應(yīng)力值。首先在最大側(cè)向力行駛工況下對(duì)車橋進(jìn)行強(qiáng)度分析，同時(shí)考慮接觸高度非線性問題、材料非線性和配合公差，查看不同間隙量對(duì)分析結(jié)果的影響，最后通過改進(jìn)主銷結(jié)構(gòu)，將配合公差對(duì)主銷應(yīng)力的影響降低，使其滿足強(qiáng)度要求。在越野輪胎起重機(jī)車橋研發(fā)的前期，此研究同樣具有一定的參考價(jià)值。

1 越野輪胎起重機(jī)前橋建模

1.1 建立幾何模型

利用三維設(shè)計(jì)軟件UG建立越野輪胎起重機(jī)前橋的幾何建型，主要零部件包括橋殼、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、半軸套管等。根據(jù)有限元計(jì)算要求對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何清理，在忽略對(duì)力學(xué)性能影響較小的沉孔、凸臺(tái)、圓孔和工藝等結(jié)構(gòu)的前提下，盡量保留更多重要特征。

1.2 結(jié)構(gòu)離散

利用有限元前處理軟件HyperMesh對(duì)越野輪胎起重機(jī)前橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。為了提高計(jì)算精度，對(duì)涉及接觸的部分用六面體網(wǎng)格劃分［3］，五面體網(wǎng)格過渡，其余部分采用四面體網(wǎng)格劃分。由于橋殼與主銷是曲面接觸，為保證橋殼計(jì)算模型有較好的收斂性，橋殼與主銷接觸處單元節(jié)點(diǎn)均需要對(duì)齊。有限元模型共有796 422個(gè)實(shí)體單元，212 571個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用剛性連接模擬主銷、半軸套管和轉(zhuǎn)向節(jié)之間的螺栓連接，梁單元模擬推力桿。有限元模型見圖1。

圖1 越野輪胎起重機(jī)前橋有限元模型

1.3 材料屬性的設(shè)置

主銷材料為20CrMnTi合金鋼，襯套材料為QAl9－4鋁青銅，橋殼、轉(zhuǎn)向節(jié)等其余部件材料為ZG40Cr，材料屬性見表1。

表1 材料屬性

用真實(shí)應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)力來定義材料的塑性［4］，其數(shù)值可由以下公式求得：

式(1)、(2)中：ε表示真實(shí)應(yīng)變;εnom表示名義應(yīng)變;σ表示真實(shí)應(yīng)變;σnom表示名義應(yīng)力。

主銷所用材料(20CrMnTi)的真實(shí)應(yīng)力—塑性應(yīng)變曲線見圖2。當(dāng)應(yīng)力超過屈服極限835 MPa時(shí)，材料發(fā)生塑性變形。應(yīng)力達(dá)到抗拉極限1 080 MPa時(shí)，材料開始進(jìn)入局部變形階段，持續(xù)變形就會(huì)斷裂。

圖2 材料真實(shí)應(yīng)力－塑性應(yīng)變曲線

2 最大側(cè)向力行駛工況強(qiáng)度分析

某企業(yè)越野輪胎起重機(jī)在做最大側(cè)向力行駛工況試驗(yàn)時(shí)，前橋主銷出現(xiàn)了斷裂，如圖3所示。

圖3 主銷在試驗(yàn)場的斷裂情況

2.1 最大側(cè)向力行駛工況邊界條件

在汽車滿載、高速、急轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車在質(zhì)心處有相當(dāng)大的離心力。當(dāng)汽車所承受的側(cè)向力剛好達(dá)到地面給輪胎的側(cè)向附著力時(shí)，汽車處于側(cè)滑臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過側(cè)向附著力，汽車將發(fā)生側(cè)滑。根據(jù)QC/T533—1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》的規(guī)定［5］，驅(qū)動(dòng)橋側(cè)滑方向一側(cè)的車輪承擔(dān)全部載荷的極端情況時(shí)，車橋最大側(cè)向力行駛工況受力分析如圖4所示。G2表示左側(cè)車輪承受的地面垂向反力，F(xiàn)1f表示側(cè)向反力。

圖4 最大側(cè)向力行駛工況受力

汽車滿載時(shí)，最大側(cè)向力行駛工況加載理論公式如表2所示。選擇約束左鋼板彈簧座處Y、Z向移動(dòng)和X向轉(zhuǎn)動(dòng)，右鋼板彈簧座處X、Y、Z向移動(dòng)和X向轉(zhuǎn)動(dòng)。

表2 極限轉(zhuǎn)向工況加載理論公式

越野輪胎起重機(jī)最大側(cè)向力行駛工況下，主銷和橋殼、轉(zhuǎn)向節(jié)和橋殼之間需要考慮接觸非線性，摩擦因數(shù)為0.12。有限元模型最大側(cè)向力行駛工況邊界條件如圖5所示。

圖5 前橋橋殼最大側(cè)向力行駛工況邊界條件

2.2 計(jì)算結(jié)果

接觸問題是一種典型的邊界條件高度非線性問題，接觸不能在計(jì)算之初就全部給出，而是在計(jì)算過程中逐步確定，2個(gè)接觸物體之間的接觸面積和壓力分布都會(huì)隨外載荷變化［6］。本文通過Newton-Raphson算法求解出最大側(cè)向力行駛工況下主銷的最大等效應(yīng)力為692.5 MPa，出現(xiàn)在主銷根部，如圖6所示。

圖6 主銷的應(yīng)力云圖

3 配合公差對(duì)前橋的受力影響

3.1 間隙配合

在工廠實(shí)際生產(chǎn)過程中，橋殼與主銷、橋殼與轉(zhuǎn)向節(jié)在有接觸的地方是采用間隙配合，上文并沒有考慮配合公差對(duì)分析結(jié)果的影響。結(jié)合試驗(yàn)場和上文有限元分析結(jié)果，本節(jié)主要對(duì)最大側(cè)向力行駛工況下不同配合公差對(duì)主銷的受力影響進(jìn)行分析。運(yùn)用上文建立的前橋最大側(cè)向力行駛工況的有限元模型，根據(jù)前橋裝配的實(shí)際情況，對(duì)主銷、轉(zhuǎn)向節(jié)和橋殼在接觸的地方定義不同的間隙量，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

3.2 計(jì)算結(jié)果

最大側(cè)向力行駛工況在不同的間隙量下，主銷最大應(yīng)力結(jié)果見表3?？梢钥闯觯号浜瞎顚?duì)主銷應(yīng)力的影響較大，隨著接觸間隙量的增加，主銷在最大側(cè)向力行駛工況作用下的最大等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力也隨之增加，特別在主銷與橋殼間隙量為0.1 mm，轉(zhuǎn)向節(jié)與橋殼間隙量為0.1 mm時(shí)，主銷已經(jīng)達(dá)到了材料合金鋼的屈服極限和抗拉極限。

表3 配合公差對(duì)主銷應(yīng)力的影響

根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)?shù)剡x擇零件的加工精度，對(duì)車橋的加工成本有著不可忽視的意義。上述分析結(jié)果中，當(dāng)兩個(gè)間隙量都為0.1 mm時(shí)主銷就會(huì)出現(xiàn)斷裂。在實(shí)際裝配車橋時(shí)間隙量會(huì)更大，企業(yè)不能提高加工成本，只能通過改進(jìn)模型滿足強(qiáng)度要求。

4 改進(jìn)方案及分析結(jié)果

4.1 改進(jìn)方案1

結(jié)合在試驗(yàn)場的實(shí)際情況和有限元分析結(jié)果，改進(jìn)越野輪胎起重機(jī)主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)，增加主銷在轉(zhuǎn)向節(jié)連接處的直徑，相應(yīng)增加轉(zhuǎn)向節(jié)主銷孔的直徑，在主銷上做1個(gè)凸臺(tái)并把釘帽做成長方體。圖7為改進(jìn)前后的主銷模型。

圖7 改進(jìn)前后的主銷模型

改進(jìn)后直接加大接觸處的間隙量，得出結(jié)果如表4所示。可以看出配合公差對(duì)主銷應(yīng)力的影響較小，但是最大應(yīng)力依然較大，需要繼續(xù)改進(jìn)主銷結(jié)構(gòu)。

表4 改進(jìn)方案配合公差對(duì)主銷應(yīng)力的影響

4.2 改進(jìn)方案2

通過對(duì)方案1的改進(jìn)，配合公差對(duì)主銷應(yīng)力的影響較小，只是主銷的最大應(yīng)力依然較大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本次增加主銷圓柱的直徑，使主銷滿足強(qiáng)度要求，并相應(yīng)增加主銷上凸臺(tái)直徑和與主銷裝配孔的直徑。

設(shè)定主銷和橋殼的間隙量為0.15 mm，轉(zhuǎn)向節(jié)和橋殼的間隙量為0.15 mm。得出最大側(cè)向力行駛工況下主銷的最大等效應(yīng)力為837 MPa，出現(xiàn)在螺栓連接處，主要是剛性連接引起應(yīng)力較大，下主銷臺(tái)階處最大等效應(yīng)力為296 MPa，如圖8所示，滿足強(qiáng)度要求。

圖8 主銷的應(yīng)力云圖

4.3 結(jié)果分析

改進(jìn)方案1中，主銷上添加了1個(gè)凸臺(tái)，雖然沒能減小主銷的受力情況，但是很好地降低了配合公差對(duì)分析結(jié)果的影響，說明凸臺(tái)的作用是減小配合公差的靈敏度。改進(jìn)方案2在改進(jìn)方案1的基礎(chǔ)上，增加主銷圓柱的總體直徑，減小了主銷的最大應(yīng)力。經(jīng)過兩次方案改進(jìn)，使該模型達(dá)到強(qiáng)度要求。

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)強(qiáng)度分析有所不同，本文考慮了邊界條件的非線性問題。為了對(duì)越野輪胎起重機(jī)最大側(cè)向力行駛工況有效準(zhǔn)確地模擬，進(jìn)一步研究了配合公差對(duì)受力結(jié)果的影響，但接觸問題到目前為止還沒有理論解給出精確的答案［7］。數(shù)值解能十分接近實(shí)際情況，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行非線性數(shù)值模擬能提高產(chǎn)品的可靠性和安全性的精度要求。

本研究對(duì)主銷進(jìn)行了2次改進(jìn)。改進(jìn)方案1降低了配合公差對(duì)分析結(jié)果的影響;改進(jìn)方案2減小了主銷的受力情況。兩種改進(jìn)方案結(jié)合，使主銷滿足強(qiáng)度要求。2種改進(jìn)方案可以推廣到其他車輛的車橋設(shè)計(jì)和研究中，能減少研究時(shí)間，節(jié)約開發(fā)成本。

［1］ 陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.5版.北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 原薇.基于可靠性的車橋結(jié)構(gòu)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化［D］.大連：大連理工大學(xué)，2005.

［3］ 莊茁.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［4］ 陳峰，狄勤豐.雙臺(tái)肩鉆桿絲扣粘扣失效的力學(xué)機(jī)制探究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2012(6)：730.

［5］ 劉晉霞.鉸接式自卸車操縱穩(wěn)定性［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.

［6］ ABAQUS6.11有限元分析從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［7］ 雷剛，孫永剛.基于接觸分析的自卸車驅(qū)動(dòng)橋殼過盈公差分析［C］//2009年全國機(jī)械可靠性技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)暨第四屆可靠性工程分會(huì)成立大會(huì)論文集.北京：［出版者不詳］，2009.

Structure Optimization of Kingpin on the Front Bridge
Based on the Tolerance Match Analyses

LEI Gang1，HU Peng1，YANG Shu-song1，DENG Hong-hui2
(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China;
2.CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.Ltd.，Zhuzhou 412000，China)

The research subject of this thesis is based upon the front axle of the wheel crane，analyzing its strength.Considering the nonlinearity of boundary condition，the influence of tolerance match on stresses result is also proposed on the grounds of traditional strength analysis.The kingpin of the front axle has finally been gotten optimum design，which makes sure that the strength is able to fulfill our requirement.Furthermore，the approach used in this thesis would be a salutary lesson for developing a similar type of product in enterprise.

FEA;nonlinearity;tolerance match

U463

A

1674－8425(2014)04－0010－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.003

2013－10－22

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013jcyjA60005);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ130817)

雷剛(1967—)，男，四川仁壽人，博士，教授，主要從事計(jì)算力學(xué)及車輛工程方面的研究。

雷剛，胡鵬，楊述松，等.基于公差配合分析的前橋主銷結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014(4)：10 －14.

format：LEI Gang，HU Peng，YANG Shu-song，et al.Structure Optimization of Kingpin on the Front Bridge Based on the Tolerance Match Analyses［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：10 －14.

(責(zé)任編輯 劉 舸)