劉杰 郭聰蘭

摘 要：針對(duì)某車(chē)型轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配后球銷(xiāo)軸向位移過(guò)大問(wèn)題，利用Abaqus/Explicit建立轉(zhuǎn)向節(jié)與球銷(xiāo)的顯式積分有限元分析模型。在不同的軸向力與錐孔面摩擦系數(shù)條件下，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔面的Mises平均應(yīng)力分布情況、塑性變形量及表面正壓力分布進(jìn)行分析，得出影響塑性變形的因素。

關(guān)鍵詞：Abaqus；應(yīng)力；有限元分析；塑性變形；摩擦系數(shù)

1 概述

在汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)實(shí)際裝配過(guò)程中，由于球銷(xiāo)固定螺母擰緊力矩過(guò)大或配合面摩擦系數(shù)設(shè)計(jì)不合理，裝配后球銷(xiāo)沿轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔方向位移過(guò)大，導(dǎo)致球銷(xiāo)鎖緊軸無(wú)法鎖緊。因此，在不同軸向預(yù)緊力及摩擦系數(shù)條件下，了解球銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔面的應(yīng)力分布、表面壓力、塑性變形情況是合理設(shè)計(jì)該產(chǎn)品的有效途徑。

文章采用Abaqus/Explicit建立轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)裝配的顯示積分有限元模型，模擬不同球銷(xiāo)預(yù)緊力與不同摩擦系數(shù)條件下轉(zhuǎn)向節(jié)錐面塑性變化情況。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型的建立

有限元模型在Abaqus中進(jìn)行前處理，去除過(guò)小的倒角，由于考察部位位于轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔與球銷(xiāo)接觸面位置，而且只分析單一軸向力作用下錐孔的拉大行為，故對(duì)某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化前后模型如圖1所示。在球銷(xiāo)端面施加軸向作用力模擬螺母擰緊過(guò)程中施加在球銷(xiāo)上的作用力，在約束部位施加位移約束模擬螺母對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的約束作用。

3 網(wǎng)格劃分

考慮模型簡(jiǎn)化后的對(duì)稱(chēng)性以及面接觸等因素，轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂均采用六面體一階單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1-3]，單元數(shù)量5053，節(jié)點(diǎn)數(shù)量6071。

4 材料屬性

轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)材料為40Cr，轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料為QT450，其材料特性均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定。

5 邊界條件

轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)端面受到均布載荷作用，轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂接觸部位建立面接觸條件，在螺母與轉(zhuǎn)向節(jié)臂接觸部位設(shè)置全固定位移約束。軸向力分別施加1.9KN、2.1KN、2.3KN、2.5KN、2.722KN五組進(jìn)行施加；接觸面屬性設(shè)定0.05、0.1、0.15、0.2四組摩擦系數(shù)μ進(jìn)行對(duì)比分析（如圖2所示）。

6 提交運(yùn)算

在ANSA中對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行前處理，定義材料屬性，網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)定；在Abaqus中定義接觸面屬性，設(shè)定分析步長(zhǎng)，以及控制結(jié)果輸出選項(xiàng)；在origin中進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線繪制。

7 分析結(jié)果

（1）軸向力F=2.722KN，摩擦系數(shù)μ=0.05與μ=0.2，最大PEEQ（等效塑性應(yīng)變）約相差25倍。最大CPRESS（面正壓力）相差約543N。（2）軸向力F=2.3KN，在μ=0.2的條件下，材料內(nèi)未發(fā)生塑性變形。摩擦系數(shù)μ=0.05與μ=0.2條件下，最大CPRESS（正壓力）相差486N。（3）軸向力F=1.9KN，在μ=0.15與μ=0.2條件下，錐孔內(nèi)未發(fā)生塑性變形，摩擦系數(shù)μ=0.05與μ=0.2條件下，最大CPRESS（正壓力）相差443N。

8 結(jié)果分析

（1）在軸向力一定的條件下，考察不同摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔的影響。a.隨著摩擦系數(shù)增大，轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔面上所受的最大正壓力大幅度降低，其變化趨勢(shì)基本相同。軸向力F=2.722KN時(shí)，最大正壓力相差543N；軸向力F=1.9KN時(shí)，最大正壓力相差443N。b.球銷(xiāo)位移隨著摩擦系數(shù)增大而減小，當(dāng)μ<0.1時(shí)，軸向位移與摩擦系數(shù)成反比例關(guān)系，且隨著摩擦系數(shù)增大急劇遞減。不同軸向力條件下，位移變化趨勢(shì)基本相同。c.轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔內(nèi)部最大等效塑性應(yīng)變PEEQ變化趨勢(shì)與位移變化趨勢(shì)基本相同，在當(dāng)μ<0.1時(shí)，等效塑性應(yīng)變PEEQ與摩擦系數(shù)呈反比例線性遞減的關(guān)系；μ>0.1時(shí)，變化趨勢(shì)趨于平緩。

（2）在摩擦系數(shù)一定的條件下，考察軸向力對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔的影響。a.隨著軸向力的增大，面最大正應(yīng)力也增大，摩擦系數(shù)越小，增大越快。b.μ>0.1時(shí)，球銷(xiāo)位移與軸向力大小幾乎呈正比例線性遞增的關(guān)系；μ<0.1時(shí)，球銷(xiāo)位移與軸力大小呈指數(shù)遞增的關(guān)系。c.在不同摩擦系數(shù)條件下，在軸向力2.3KN附近，錐孔應(yīng)力幾乎匯聚于一點(diǎn)；當(dāng)F<2.3KN時(shí)，摩擦系數(shù)較小反而平均Mises應(yīng)力較大；當(dāng)F>2.3KN時(shí)，摩擦系數(shù)較大平均Mises應(yīng)力也較大。d.軸向力大小對(duì)錐孔塑性應(yīng)變的影響等同于軸向力對(duì)球銷(xiāo)位移的影響，即μ>0.1時(shí)，軸向力與等效塑性應(yīng)變呈正比例線性遞增的關(guān)系；μ<0.1時(shí)，軸向力與等效塑性應(yīng)變呈指數(shù)遞增的關(guān)系。

9 結(jié)束語(yǔ)

軸向力一定，球銷(xiāo)位移隨著摩擦系數(shù)的增大而減?。荒Σ料禂?shù)一定時(shí)，球銷(xiāo)位移隨著軸向力的增大而增大，特別是摩擦系數(shù)較小時(shí)，位移與軸向力呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系；錐孔內(nèi)等效塑性應(yīng)變變化趨勢(shì)與位移變化趨勢(shì)基本相同。軸向力一定，錐孔面上受到的正壓力隨著摩擦系數(shù)的增大而減小；摩擦系數(shù)一定，隨著軸向力的增大而增大。軸向力一定，在μ=0.1時(shí)，平均Mises應(yīng)力取到最小值；摩擦系數(shù)一定，在軸向力F=23000N時(shí)平均應(yīng)力匯聚于一點(diǎn)，即在μ=0.1，F(xiàn)=23000時(shí)，得到最優(yōu)工況。大部分工況條件下，轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)超出材料的屈服應(yīng)力，且發(fā)生大面積塑性變形，但塑性應(yīng)變PEEQ小于目標(biāo)限制1%，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；而在F=2.722KN，μ=0.05惡劣工況下，塑性應(yīng)變PEEQ最大值為1.1%，大于目標(biāo)限制，材料出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

建議：考慮降低錐形孔內(nèi)的塑性變形量，球銷(xiāo)的軸向位移及錐孔內(nèi)的表面壓力，可以適當(dāng)增大轉(zhuǎn)向球銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂接觸面的摩擦系數(shù)；同時(shí)也可提高轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔表面梯度最大處的強(qiáng)度，抵抗塑性變形的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1]莊茁，張帆，岑松，等. Abaqus非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2]石亦平，周玉蓉. Abaqus有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]趙騰倫，姚新軍. Abaqus6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.