李 濤,陳光耀,張志猛
(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710000:2.武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430070;3.陸軍工程大學(xué),湖北 武漢 430070)
在汽車(chē)球鉸溫度升高的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生膨脹,為了對(duì)這種膨脹現(xiàn)象進(jìn)行合理有效的控制,首先需要了解球碗熱膨脹狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)[1]。因此,本次研究針對(duì)汽車(chē)球鉸進(jìn)行熱膨脹分析,所使用的分析工具為ABAQUS軟件。
在進(jìn)行熱分析之前,首先要對(duì)模型的初始溫度場(chǎng)進(jìn)行設(shè)定,再對(duì)分析中的溫度場(chǎng)進(jìn)行修改,進(jìn)而形成溫差[2]。通過(guò)Abaqus將幾何體離散成擴(kuò)散熱傳導(dǎo)單元,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱分析。材料性能參數(shù)具體如表1所示。
本次研究只考慮POM材料力學(xué)性能與溫度之間的關(guān)系,將軸向過(guò)盈量設(shè)定為0.1 mm,將徑向過(guò)盈量設(shè)定為0.02 mm。由圖1可知,在溫度由22 ℃增加到79 ℃的過(guò)程中,球碗底部加強(qiáng)筋部位的應(yīng)力最大,最大應(yīng)力值由92.26 MPa下降至49.55 MPa,并且整個(gè)球碗體現(xiàn)出了大致相同的應(yīng)力分布情況。
表1 材料性能參數(shù)
圖1 不同溫度下球碗底部應(yīng)力云圖
若考慮POM材料力學(xué)性能與溫度及熱膨脹量之間的關(guān)系,則很有可能會(huì)得出不同的分析結(jié)果[3]。由圖2可知,在溫度由22 ℃增加到79 ℃的過(guò)程中,雖然球碗的最大應(yīng)力出現(xiàn)變化,但仍然是球碗底部加強(qiáng)筋部位的應(yīng)力最大。最大應(yīng)力值由92.26 MPa下降至61.99 MPa,相比于不考慮膨脹的情況來(lái)說(shuō),在熱應(yīng)力附加效應(yīng)的作用下,整個(gè)球碗的應(yīng)力值略微上升,可以通過(guò)式(1)來(lái)表示熱應(yīng)力:
(1)
式中:L為物體長(zhǎng)度,mm;ΔT為溫度增量,℃;α為熱膨脹系數(shù)。
圖2 不同溫度下球碗應(yīng)力云圖
為了能夠?qū)τ蓽夭钏斐傻臒崤蛎涍M(jìn)行更加直觀的觀察,本次研究從球碗徑向與軸向兩個(gè)方面進(jìn)行衡量,即考慮POM材料熱變形與過(guò)盈配合兩方面的變化,通過(guò)二者之間的差值來(lái)獲取熱膨脹量。
通過(guò)圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn),球碗上邊緣出現(xiàn)了沿X向0.005 mm的軸向位移,下邊緣出現(xiàn)了沿X向0.065 mm的軸向位移。球碗部位出現(xiàn)了0.015~0.03 mm的Y向位移量。由于球碗存在對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn),因此X與Y向會(huì)出現(xiàn)一致的位移量。
由于經(jīng)過(guò)熱精整之后的球鉸必然會(huì)恢復(fù)至室溫溫度,因此其熱膨脹過(guò)程只能對(duì)熱精整環(huán)境下的參數(shù)變化給出反映,這就需要在“退火”過(guò)程背景下對(duì)球鉸的參數(shù)變化進(jìn)行分析,進(jìn)而將球鉸產(chǎn)品性能更加充分地反映出來(lái)[4]。通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn),在球鉸未熱精整的情況下,應(yīng)力主要集中在油槽邊緣,其他部位接觸應(yīng)力均在70 MPa以下。熱精整過(guò)程中的球鉸由于受到熱膨脹和蠕變時(shí)效的共同影響,未熱精整的分析結(jié)果與球碗的接觸應(yīng)力值十分接近,球鉸在經(jīng)過(guò)熱精整后再將其置于室溫環(huán)境下,會(huì)大幅降低球鉸的接觸應(yīng)力值,出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于溫度上的落差會(huì)消除由熱精整所形成的膨脹。
另外,根據(jù)圖3所示,球鉸在未精整的狀態(tài)下,過(guò)盈配合會(huì)使應(yīng)力集中于油槽部位,造成該部位出現(xiàn)較大的接觸應(yīng)力梯度,使球碗早期磨損更加嚴(yán)重。處于熱精整過(guò)程中的球鉸,其溫度在降低至室溫的情況下,球碗各部位接觸應(yīng)力值均出現(xiàn)了一定的下降,油槽部位應(yīng)力梯度發(fā)生了顯著的縮減。
圖3 球碗的接觸應(yīng)力曲線
經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),球鉸的接觸應(yīng)力很大程度上會(huì)受到熱精整工藝的影響,為了進(jìn)一步分析球鉸扭矩與熱精整之間的關(guān)系,還應(yīng)當(dāng)優(yōu)化球鉸的軸徑向過(guò)盈量。
通常情況下,為了能夠使對(duì)由精整所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力與熱應(yīng)力進(jìn)行有效的控制,需要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中留出一定的膨脹間隙[5]。然而,球鉸通常是由旋鉚與壓裝來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配的,即使球碗與球銷(xiāo)之間存在一定的間隙,這部分間隙也會(huì)因裝配而消失[6]。因此,本次研究不再分析由間隙量所產(chǎn)生的影響,單純分析球碗在熱精整后因過(guò)盈量所引起的應(yīng)力分布情況。
該環(huán)節(jié)的研究仍然借助Abaqus軟件來(lái)進(jìn)行熱分析,獲取球碗內(nèi)表面各節(jié)點(diǎn)的接觸壓強(qiáng)值。通過(guò)Origin軟件來(lái)擬合各軸徑向過(guò)盈量下的觀測(cè)結(jié)果,最終得到如圖4所示的擬合曲線。
圖4 過(guò)盈量-接觸應(yīng)力曲線
根據(jù)文獻(xiàn)[7]所給出的計(jì)算結(jié)果,球銷(xiāo)與球碗結(jié)合面之間應(yīng)當(dāng)留出至少8.45的最小接觸應(yīng)力,再結(jié)合圖2所給出的過(guò)盈量-接觸應(yīng)力曲線,本次研究將過(guò)盈配合組歸納為A、B兩組。A組:軸向過(guò)盈量0.08 mm,徑向過(guò)盈量0.02 mm;B組:軸向過(guò)盈量0.14 mm;徑向過(guò)盈量0.01 mm。
考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的球鉸配合公差帶與產(chǎn)品的尺寸控制能力,應(yīng)當(dāng)將軸向過(guò)盈量控制在高于0.1 mm的水平。由于比較接近要求的是A 組的軸向過(guò)盈量,并且軸向過(guò)盈量對(duì)接觸應(yīng)力小于徑向過(guò)盈量,因此可以將A 組軸向過(guò)盈量直接設(shè)定為0.1 mm[8]。另外,球鉸在經(jīng)過(guò)熱精整后,其球銷(xiāo)與球碗之間并不會(huì)出現(xiàn)較大的間隙,因此直接將球碗接觸應(yīng)力分布的均勻性設(shè)定為評(píng)價(jià)參數(shù)。設(shè)μA為A 組接觸應(yīng)力值偏差,設(shè)μB為B 組接觸應(yīng)力值偏差,經(jīng)計(jì)算可知,μA=6.587,μB=8.078。因此,B組為最佳過(guò)盈量組合。
為了對(duì)前述所得出的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證,本次研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)觀察球鉸扭矩與熱精整工藝之間的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中所采用的球鉸產(chǎn)品均經(jīng)過(guò)熱精整處理,在實(shí)驗(yàn)中所采用的球鉸產(chǎn)品均經(jīng)過(guò)熱精整處理,通過(guò)千分尺和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量零件尺寸,進(jìn)而獲取目標(biāo)軸向過(guò)盈配合量和徑向過(guò)盈配合量,并且所使用的球鉸均通過(guò)防塵罩給予保護(hù),最大程度上還原真實(shí)狀況下的球鉸使用環(huán)境。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 球鉸扭矩測(cè)試結(jié)果
經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),球鉸在經(jīng)過(guò)熱精整后,其后扭矩值出現(xiàn)明顯下降,在軸向過(guò)盈量為0.1 mm,徑向過(guò)盈量為0.02 mm的情況下,未經(jīng)熱精整的理論值高于未經(jīng)熱精整的測(cè)試值,二者之間存在12.23%的誤差,經(jīng)熱精整的理論值低于經(jīng)熱精整的測(cè)試值,二者之間存在24%的誤差;在軸向過(guò)盈量為0.14 mm,徑向過(guò)盈量為0.01 mm的情況下,未經(jīng)熱精整的理論值高于未經(jīng)熱精整的測(cè)試值,二者之間存在9.06%的誤差,經(jīng)熱精整的理論值低于經(jīng)熱精整的測(cè)試值,二者之間存在27.5%的誤差。由此可知,過(guò)盈量組合的球鉸扭矩值應(yīng)當(dāng)維持在1.6 N·m左右。
本次研究從力學(xué)性能的角度對(duì)球鉸進(jìn)行了熱分析,闡述了球鉸熱精整前后在接觸應(yīng)力分布方面所發(fā)生的變化,并在此基礎(chǔ)上提出了過(guò)盈量再優(yōu)化方案。做好汽車(chē)球鉸的力學(xué)分析工作,是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)提升汽車(chē)行駛穩(wěn)定性的重要工作,在相關(guān)的研究中還需要考慮更多的力學(xué)性能影響因素,進(jìn)一步豐富汽車(chē)力學(xué)研究的理論要素。