王清仙

(智己汽車科技有限公司，上海 201804)

0 引言

傳統(tǒng)汽車的車身結(jié)構(gòu)零部件一般設(shè)計為鋼板沖壓件，而隨著汽車輕量化科技的迅速發(fā)展，鋁合金在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為目前的汽車車身發(fā)展趨勢。在零部件設(shè)計時要考慮鋁件和鋼件的材料特性、生產(chǎn)工藝等差異的影響因素，合理設(shè)計零件結(jié)構(gòu)。基于輕量化鋼鋁混合車身的研究，以拖曳臂安裝支架為例，選用鋁合金材料，結(jié)合零部件設(shè)計要求，以CAE仿真分析為輔助工具進(jìn)行零件設(shè)計。

1 拖曳臂安裝支架設(shè)計要求

汽車底盤上的拖曳臂是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件。以粗壯的上下擺動式拖臂實現(xiàn)后車輪與車身后部的硬性連接，然后以液壓減振器和螺旋彈簧充當(dāng)軟性連接，在車輛運行過程中緩和由道路經(jīng)車輪和轉(zhuǎn)向節(jié)臂傳來的沖擊反力，從而起到平衡左右車輪和車身、駕駛平順的作用[1]。因此，拖曳臂在車身上安裝支架的強度和可靠性要求很高。

由于車輛行駛時拖曳臂時刻都在運動和受力，對其在車身上的安裝支架強度和可靠性要求很高。拖曳臂安裝支架的設(shè)計容易存在以下問題：拖曳臂與安裝支架夾緊面存在裝配間隙，運動過程中易產(chǎn)生異響；拖曳臂安裝支架底部拐角處應(yīng)力大，運動過程中容易疲勞，存在撕裂風(fēng)險。

傳統(tǒng)車型的拖曳臂安裝支架一般設(shè)計為高強度鋼板沖壓件。圖1為某款高端車型上的拖曳臂安裝支架零件，材料采用高強度鋼板HC340/590，厚度為1.5 mm，拉伸強度為590 MPa，屈服強度為340 MPa，質(zhì)量為2.3 kg。沖壓件的易變形可以適當(dāng)調(diào)整夾緊面之間的裝配間隙，同時高強度鋼板的高屈服強度能有效避免疲勞應(yīng)力集中導(dǎo)致的撕裂風(fēng)險。

圖1 某車型的拖曳臂安裝支架

雖然汽車常用鋁合金的強度明顯低于鋼，但其密度約為鋼的1/3，比強度明顯增加，是汽車輕量化的優(yōu)選材料。根據(jù)零件制造工藝的不同，車身上的鋁合金材料零件可分為鋁板沖壓件、鋁型材擠壓件以及鋁鑄造件等。與鋼板沖壓件相比，鋁板沖壓件延伸率較差、回彈率較高，因此不適合用于頻繁受力的關(guān)鍵零部件。鑄鋁件可以很好地滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和強度的要求，但模具費用高，而且零件質(zhì)量普遍偏重。而采用鋁型材擠壓的生產(chǎn)工藝，通過鋁棒進(jìn)行熱熔、擠壓制成各種壁厚和截面形狀，可以得到復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)，適合用于傳力路徑上的零部件。

基于鋁擠壓型材零件結(jié)構(gòu)模具成本投入低，制造工藝簡便，結(jié)構(gòu)設(shè)計上也比較適合此處零件設(shè)計的需求，該拖曳臂安裝支架設(shè)計為鋁型材擠壓件。拖曳臂安裝支架零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要保證拖曳臂的裝配性與運動空間，同時從零件自身應(yīng)力集中、螺栓預(yù)緊受力兩個維度進(jìn)行CAE分析，避免設(shè)計風(fēng)險。

2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化涉及靜力學(xué)問題，一般可分為兩類模型:一為體積約束條件下最小化柔度值，即最大化剛度；二為剛度約束下最小化體積[2]?？紤]到載荷工況的不確定性，根據(jù)拖曳臂的周邊裝配關(guān)系定義初始設(shè)計空間，并考慮工程約束條件，進(jìn)行拖曳臂安裝支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足力學(xué)要求的前提下支架使用的材料最小?；谧兠芏确ㄍ?fù)鋬?yōu)化理論，求解剛度約束下的最小化體積。

拖曳臂安裝支架的周邊裝配關(guān)系如圖2所示。拖曳臂一端連接輪胎，另一端通過安裝支架與車身本體連接。支架定義為擠出型材結(jié)構(gòu)，在Z向為等截面。提取拖曳臂的兩側(cè)夾緊面和支架的安裝底面，定義175 mm×85 mm的矩形截面區(qū)域作為支架的截面形狀邊界，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

圖2 設(shè)計邊界條件

拖曳臂安裝支架的材料定義為6082鋁合金，拉伸強度大于等于310 MPa，屈服強度大于等于260 MPa。車身和輪胎設(shè)置為固定約束，同時約束拖曳臂襯套軸線，使拖曳臂可沿其襯套軸線轉(zhuǎn)動和軸向竄動。工況設(shè)置為:在拖曳臂襯套軸線中心位置，沿拖曳臂長度方向施加Y向力29 000 N和X向力50 000 N。拓?fù)錁?gòu)型密度閾值設(shè)置為0.3，得到的拓?fù)鋬?yōu)化材料分布結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鍪芰β窂绞菑耐弦繁鄣膬蓚?cè)夾緊面通往支架的安裝底面，呈傾斜支撐趨勢。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行截面設(shè)計，初步擬定3個設(shè)計方案，如圖4所示。

圖4 初定3個設(shè)計方案

根據(jù)拖曳臂與車身的裝配關(guān)系可知，不考慮螺栓預(yù)緊應(yīng)力的情況下，在加速工況下支架受力最大。選取1g加速工況下，在拖曳臂襯套軸線中心位置的3個方向力和力矩，并輸入材料特性進(jìn)行CAE仿真分析。

3個方案在1g加速工況下的應(yīng)力分布(不考慮螺栓打緊力)如圖5所示。方案一的圓角區(qū)域最大值為957 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過6082的屈服強度260 MPa，可以判定在1g加速下，這些區(qū)域會發(fā)生開裂。方案二最大應(yīng)力降低到86.71 MPa，安全系數(shù)達(dá)到2.95。方案三最大應(yīng)力降低到65.6 MPa，安全系數(shù)達(dá)到3.9。

圖5 加速工況下3方案的應(yīng)力分布

3 螺栓打緊力分析

考慮到拖曳臂鋼套與車身之間為硬連接，如果裝配尺寸為間隙配合，存在1 mm以上裝配間隙將造成此處過顛簸路時會產(chǎn)生碰撞異響，且擰緊力矩容易衰減；而如果裝配尺寸為過盈配合，則會對裝配過程造成困難。因此，拖曳臂鋼套的兩個裝配面之間需要一定的打緊變形量，以保證擰緊力矩不衰減。接下來對方案二和方案三進(jìn)行螺栓打緊力分析。定義安裝螺栓規(guī)格M12,強度等級10.9級，擰緊力矩預(yù)估在60～90 N·m范圍內(nèi)。

根據(jù)支架結(jié)構(gòu)，當(dāng)螺栓被打緊時，需要首先使支架的螺栓孔區(qū)域變形，然后與襯套內(nèi)圈端面接觸，因此將整個過程中的力分為：施加扭矩之后在螺栓上的力，稱為螺栓打緊力Ftorsion；使支架變形所需要的力Fdeform；襯套被夾緊后所受的力Fpresion。這三者關(guān)系為

Ftorsion=Fdeform+Fpresion

按QC/T 518 汽車用螺紋緊固件緊固力矩，螺栓打緊力計算公式為

式中：K為擰緊力矩系數(shù)；d為螺紋公稱直徑；Ttorsion為螺栓擰緊力矩。

表1為擰緊力矩系數(shù)K。

表1 擰緊力矩系數(shù)K

考慮到選用不同鍍層螺栓的情況，K值在0.18～0.24范圍內(nèi)變化。在不同擰緊力矩下螺栓打緊力Ftorsion的計算值見表2。

表2 打緊力Ftorsion計算表

根據(jù)接觸面上的摩擦力與縱臂軸向力的平衡關(guān)系得襯套所受夾緊力計算公式為

Fpresion=FA·f

式中：f為摩擦因數(shù)，取值0.16～0.2；FA為拖曳臂所受軸向拉力。

約束支架與橫梁配合面，沿著螺栓軸向遞增施加螺栓打緊力Ftorsion。圖6為螺栓打緊過程中襯套被夾緊后所受的力Fpresion和螺栓打緊力Ftorsion的變化曲線。根據(jù)運動關(guān)系可知，在加速工況下FA最大，在1g加速工況下多體分解結(jié)果可得FA約為50 000 N，可推出Fpresion為8 000～10 000 N。根據(jù)圖6可知所需求的Ftorsion值范圍為21 000～25 000 N，將該值與表2進(jìn)行對照，選取適合的Ttorsion為70 N·m。

圖6 襯套夾緊力與螺栓打緊力的變化曲線

如果選取擰緊力矩為60 N·m，當(dāng)K=0.24時，F(xiàn)torsion為20 833 N，低于需求范圍，有一定的失效風(fēng)險。如果選取擰緊力矩為80 N·m，螺栓壓緊區(qū)域超過屈服的面積較大，經(jīng)過長時間的服役，壓緊區(qū)域減薄可能性較高，進(jìn)而導(dǎo)致Fpresion減小，引起螺栓緊固失效。

圖7為螺栓打緊過程中拖曳臂支架所受應(yīng)力分布圖。由圖可見，在70 N·m的擰緊力矩下，方案二比方案三螺栓安裝面區(qū)域應(yīng)力集中范圍略大，在長時間服役過程中疲勞失效風(fēng)險更大。從結(jié)構(gòu)上看，方案二車身支架剛度過較大，受力后變形較小，零件長時間處于應(yīng)力下。因此，最終采用兩個裝配面之間不連接或開槽的方案，即方案三。該零件質(zhì)量為1.2 kg，約為鋼板沖壓零件的1/2，減重效果明顯。制作零件后經(jīng)實車路試耐久試驗，無任何開裂、力矩衰減等異常情況發(fā)生。

圖7 螺栓打緊時支架所受應(yīng)力分布

4 結(jié)束語

隨著汽車輕量化的加速發(fā)展，鋁合金材料大規(guī)模地應(yīng)用于車身，越來越多的車身結(jié)構(gòu)件從傳統(tǒng)的鋼板沖壓件設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金零件結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了滿足輕量化的需求和零部件設(shè)計要求，突破傳統(tǒng)的鋼板沖壓車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計思路，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行鋁擠壓件的截面設(shè)計，結(jié)合螺栓打緊力分析，在采用鋁合金材料進(jìn)行關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的方面進(jìn)行了成功實踐。