馮棟梁， 寧 丹， 趙 寧， 劉海濤， 蔡文斌

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

某無人車轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化設(shè)計

馮棟梁， 寧 丹， 趙 寧， 劉海濤， 蔡文斌

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

根據(jù)某無人車外定子輪轂電機(jī)和雙橫臂獨立懸架的外形尺寸，設(shè)計了不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向節(jié)，并采用Adams軟件和HyperWorks軟件分別進(jìn)行了動力學(xué)計算、剛強度分析和結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化研究，結(jié)果表明轉(zhuǎn)向節(jié)剛強度小于材料的許用應(yīng)力，重量輕巧，符合設(shè)計要求。

轉(zhuǎn)向節(jié)；輪轂電機(jī)；雙橫臂獨立懸架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；剛強度計算；拓?fù)鋬?yōu)化

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)一般會包括轉(zhuǎn)向節(jié)臂端和轉(zhuǎn)向節(jié)軸端兩部分.轉(zhuǎn)向節(jié)圓錐軸上一般裝有一對圓錐滾子軸承，使轉(zhuǎn)向節(jié)與制動器和輪轂相連.圓錐軸端采用螺母緊固輪轂與軸承，使得轉(zhuǎn)向節(jié)可以承受來自地面的制動力、縱向滾動阻力和垂向支承力.而轉(zhuǎn)向節(jié)臂端則根據(jù)懸架形式一般采用球銷結(jié)構(gòu)與控制臂以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連.某無人車采用外定子輪轂電機(jī)驅(qū)動，并采用雙橫臂獨立懸架底盤，需要設(shè)計出與外定子輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動輪以及雙橫臂獨立懸架相匹配的轉(zhuǎn)向節(jié).新的轉(zhuǎn)向節(jié)一方面需要和輪轂電機(jī)以及轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過螺栓緊固連接，另一方面需要和采用球頭銷連接結(jié)構(gòu)的上下橫臂錐孔連接.

首先根據(jù)功能需要完成轉(zhuǎn)向節(jié)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后在動力學(xué)軟件中完成動力學(xué)計算，最后利用有限元軟件對初始結(jié)構(gòu)完成有限元建模，剛強度計算以及拓?fù)鋬?yōu)化，最終得到既滿足剛強度要求，又兼顧外形且得以輕量化的新結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié).

1 轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該轉(zhuǎn)向節(jié)在設(shè)計之初，根據(jù)外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的外殼尺寸及連接方式限制了轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂電機(jī)連接端的尺寸，同時經(jīng)過雙橫臂獨立懸架硬點坐標(biāo)優(yōu)化后確定了該轉(zhuǎn)向節(jié)與雙橫臂連接鉸點的具體位置和尺寸，最后根據(jù)轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化得到了轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂的連接結(jié)構(gòu)和具體尺寸，這些尺寸值都是設(shè)計約束，相關(guān)結(jié)構(gòu)在后期是不能更改的，屬于非設(shè)計區(qū)域.根據(jù)需求，該轉(zhuǎn)向節(jié)可以分為轉(zhuǎn)向節(jié)盤端和轉(zhuǎn)向節(jié)臂端兩部分.轉(zhuǎn)向節(jié)盤端采用一圈螺栓連接輪轂電機(jī)外定子殼；轉(zhuǎn)向節(jié)臂端采用球銷連接上下橫臂，采用螺栓連接轉(zhuǎn)向節(jié)臂.

初步設(shè)計的轉(zhuǎn)向節(jié)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)初始結(jié)構(gòu)示意圖

對稱設(shè)計的兩個轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接端是考慮到無人車單軸車輪左右鏡像對稱結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)向節(jié)可以左右互換，在施加載荷約束時只施加在起作用的那一個連接端.

2 轉(zhuǎn)向節(jié)的剛強度計算

2.1 網(wǎng)格劃分[1]

將轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型(見圖1)采用IGS格式導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh[2]中，根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行各種幾何清理，圓倒角辨識，分區(qū)混合六面體和四面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對單元質(zhì)量做了檢查.為準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)向節(jié)和其他結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，在接觸圓孔、接觸圓錐孔和連接螺栓孔周圍將所有節(jié)點通過剛性單元(RBE2)連接在一起.最終建立好的有限元模型如圖2所示.

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型示意圖

2.2 定義材料

采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)常用的球墨鑄鐵材料QT500-7.該材料屬于塑性材料，在進(jìn)行剛強度計算時，以屈服極限σs作為計算使用的極限應(yīng)力.具體參數(shù)如表1所示.

表1 材料特性參數(shù)

2.3 施加載荷及邊界條件

根據(jù)該無人車行駛時車輪的受力狀況，對現(xiàn)有轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)按照3種危險工況進(jìn)行計算分析，即:緊急制動工況、側(cè)滑工況、和越過不平路面工況.將轉(zhuǎn)向節(jié)盤與輪轂電機(jī)定子外殼連接的12個螺栓孔處施加6自由度全約束.

在Adams 動力學(xué)軟件中對整車進(jìn)行3種極限工況受力計算，得到轉(zhuǎn)向節(jié)上下橫臂球銷點和轉(zhuǎn)向節(jié)臂連接點在x、y和z方向的受力大小，如表2～表4所示.

表2 緊急制動工況下各點受力 N

表3 側(cè)滑工況下各點受力 N

表4 越過不平路面工況下各點受力 N

2.4 轉(zhuǎn)向節(jié)剛強度計算分析[2]

采用Radioss軟件，對轉(zhuǎn)向節(jié)3種極限工況下的剛強度進(jìn)行計算，其相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果見圖3～圖8。圖3和圖4為緊急制動工況應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果.圖5和圖6為側(cè)滑工況下應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果.圖7和圖8為越過不平路面工況下應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果.

圖3 緊急制動工況應(yīng)力圖

圖4 緊急制動工況變形圖

圖5 側(cè)滑工況應(yīng)力圖

圖6 側(cè)滑工況變形圖

圖7 越過不平路面工況應(yīng)力圖

圖8 越過不平路面工況變形圖

3種極限工況下的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變計算結(jié)果如表5所示.

表5 3種工況下的剛強度計算結(jié)果列表

根據(jù)計算結(jié)果可知，轉(zhuǎn)向節(jié)在越過不平路面工況下的最大應(yīng)力為294 MPa，制動工況下的最大應(yīng)力為291 MPa，均小于材料的屈服強度320 MPa，應(yīng)力最大值點處都集中在上球鉸與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角處，應(yīng)變最大值點處都出現(xiàn)在上橫臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的球銷支撐平面端，可見這兩處的結(jié)構(gòu)需要加強，以減小應(yīng)力集中和過大的應(yīng)變.從計算結(jié)果還可看出，轉(zhuǎn)向節(jié)盤端大部分區(qū)域應(yīng)力和應(yīng)變都較小，屬于可以減重去除的材料，具體需要如何處理則需要進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.

3 轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)鋬?yōu)化計算

拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法[3]，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中重要的技術(shù).通過拓?fù)鋬?yōu)化可以在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最佳的材料分布或傳力路徑，從而使結(jié)構(gòu)在滿足各種性能的條件下達(dá)到重量最輕.在運用OptiStruct軟件分析時，計算機(jī)能夠針對每個單元的材料特性和給定的約束，改變材料分布，以優(yōu)化用戶定義的設(shè)計目標(biāo).

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是將尋找結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)最優(yōu)材料分布問題.通過產(chǎn)品拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)載荷條件和邊界條件確定一個比較合理的結(jié)構(gòu)形式.該結(jié)構(gòu)形式不涉及具體的尺寸設(shè)計，只提供了一個設(shè)計方案，設(shè)計人員結(jié)合加工可行性和工藝分析來決定最終的具體設(shè)計.

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化定義

拓?fù)鋬?yōu)化過程主要包括三部分:1)定義設(shè)計及非設(shè)計區(qū)域;2)定義優(yōu)化參數(shù);3)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.

首先定義設(shè)計及非設(shè)計區(qū)域，在轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型中，將與輪轂電機(jī)和轉(zhuǎn)向節(jié)臂的螺栓連接處，以及和上下橫臂球銷的錐孔連接區(qū)域定義為非設(shè)計區(qū)域，其余部分定義為設(shè)計區(qū)域，然后定義優(yōu)化響應(yīng).根據(jù)前面對轉(zhuǎn)向節(jié)的剛強度有限元分析得知，該轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變相對過大，所以設(shè)計時應(yīng)主要考慮變形量的影響.最后定義優(yōu)化響應(yīng)的體積參數(shù)最小化為目標(biāo)函數(shù).

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化分析

定義完拓?fù)鋬?yōu)化的各個參數(shù)后，運行OptiStruct軟件，在經(jīng)過13次迭代后，得到0.015密度閥值下的轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，如圖9所示.

圖9 0.015密度閥值時轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

從圖9可以看出，深色部分為轉(zhuǎn)向節(jié)不可缺少結(jié)構(gòu)連接部分，除此以外其他剩余部分為0.015密度閥值時保留下來的部分，可見轉(zhuǎn)向連接的大盤其實大部分都是不需要的，但是轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂電機(jī)連接的螺栓孔是需要保留的結(jié)構(gòu)，而其他部分則可以進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化.

3.3 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)剛強度計算結(jié)果與拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果，最終確定轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖10所示.該結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向節(jié)盤端的盤面上進(jìn)行了大塊結(jié)構(gòu)的減重，只留下一些輪輻結(jié)構(gòu)的加強筋.在不考慮左右互換時，可以舍棄前期保留的轉(zhuǎn)向節(jié)臂對稱連接端設(shè)計，使得轉(zhuǎn)向節(jié)重量進(jìn)一步減輕.

圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗證拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)在3種工況下的應(yīng)力仍在材料的屈服強度內(nèi)，再次建立新結(jié)構(gòu)的有限元模型并進(jìn)行強度校核，其結(jié)果見圖11～圖17.計算結(jié)果表明轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)滿足剛強度要求，強度均小于材料屈服強度320 MPa，應(yīng)變也沒有變大.

圖11 轉(zhuǎn)向節(jié)最終結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

圖12 緊急制動工況應(yīng)力圖

圖13 緊急制動工況變形圖

圖14 側(cè)滑工況應(yīng)力圖

圖15 側(cè)滑工況變形圖

圖16 越過不平路面工況應(yīng)力圖

圖17 越過不平路面工況變形圖

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)在3種極限工況下的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變計算結(jié)果如表6所示.

表6 3種工況下的剛強度計算結(jié)果列表

從表6可以看出:拓?fù)鋬?yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)變都比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前有了較大的減小，應(yīng)力也都在材料允許的屈服強度320 MPa以內(nèi)，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)滿足了設(shè)計要求.

4 結(jié) 論

通過對某無人車的轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)分析、有限元剛強度計算以及拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果表明，新設(shè)計的轉(zhuǎn)向節(jié)既滿足性能需求，又實現(xiàn)了輕量化，滿足了設(shè)計需求.

[1] 張 琦，鄭松林，金曉春,等. 汽車后轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計及試驗驗證[J]. 現(xiàn)代制造工程，2014，(4)：42-47.

[2] 王鈺棟，金 磊，洪清泉. HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：104-153.

[3] 洪清泉，趙 康，張 攀. OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：55-70.

Optimal Design of Knuckle for an Unmanned Vehicle

FENG Dong-liang， NING Dan， ZHAO Ning， LIU Hai-tao， CAI Wen-bin

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China)

According to the overall dimension of the outside stator hub motor and the double wishbone independent suspension, knuckle is designed differently from the traditional structure. Adams software and HyperWorks software are used for the dynamic calculation, the stiffness analysis and topology optimization. The results show that the stiffness of knuckle is less than the allowable stress of the material and light weight, which meet the design requirements.

knuckle；hub motor；double wishbone suspension；structure design；rigid strength calculation；topological optimization

1009-4687(2017)01-0059-06

2016-12-25.

馮棟梁(1983-)，男，工程師，研究方向為車輛工程。.

U463.46

A