□ 徐 丹

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國(guó)鈞分院 江蘇常州 213025

1 設(shè)計(jì)背景

21世紀(jì)以來(lái),汽車制造業(yè)呈現(xiàn)電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的發(fā)展趨勢(shì)。汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的重要戰(zhàn)略舉措之一[1]。在保證汽車整體強(qiáng)度的前提下,減輕汽車的整體質(zhì)量,可以提高汽車的動(dòng)力性和主動(dòng)安全性,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。根據(jù)美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),汽車減輕質(zhì)量10%,可以減少3.3%油耗[2],縮短制動(dòng)距離5%,減小轉(zhuǎn)向力6%[3]。由此可見(jiàn),對(duì)汽車零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和研究,具有重要意義和價(jià)值。

在汽車設(shè)計(jì)中,對(duì)底盤(pán)懸架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),可以在很大程度上減輕汽車質(zhì)量[4]。轉(zhuǎn)向節(jié)是懸架系統(tǒng)中的重要組件,對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),可以獲得明顯效果。由于轉(zhuǎn)向節(jié)在車輛行駛中不僅要承受汽車前部載荷,而且要帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng),強(qiáng)度、抗沖擊性、穩(wěn)定性有較高的要求,因此在轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)時(shí),要考慮其機(jī)械性能是否能滿足要求[5]。李萬(wàn)敏等[6]等對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行建模,并對(duì)不同工況下的應(yīng)力分布與靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了分析。黃小娣[7]分析了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的模態(tài)特性,通過(guò)對(duì)比判斷出外界的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)向節(jié)的固有一階頻率,有效防止了共振產(chǎn)生。周渝等[8]分析了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型的建立方法,得到了基于初始模型的輕量化方向,為后續(xù)輕量化設(shè)計(jì)提供了參考。筆者基于ANSYS有限元分析軟件構(gòu)建汽車轉(zhuǎn)向節(jié)模型,計(jì)算不同負(fù)載條件下的應(yīng)力分布,通過(guò)強(qiáng)度分析,圍繞轉(zhuǎn)向節(jié)材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)。

2 有限元建模

以一款空載質(zhì)量為1.6 t的運(yùn)動(dòng)型多功能汽車為例進(jìn)行分析,將整車拆卸下的左前轉(zhuǎn)向節(jié)作為三維模型構(gòu)建的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量出轉(zhuǎn)向節(jié)的幾何尺寸,在Unigraphics NX軟件中重建轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型,再導(dǎo)入ANSYS軟件建立完整的數(shù)值模型。轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型如圖1所示。

▲圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型

轉(zhuǎn)向節(jié)選擇ANSYS軟件提供的Solid45單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。為了提升有限元分析的準(zhǔn)確性,模型采用八節(jié)點(diǎn)四角正交網(wǎng)格。為避免數(shù)值模擬的求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng),力求準(zhǔn)確快速得到分析結(jié)果,需要對(duì)結(jié)構(gòu)邊緣的圓角等進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化[9]。整個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)模型網(wǎng)格化后的節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 491,單元數(shù)為5 301。轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型如圖2所示。

▲圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型

3 材料屬性

轉(zhuǎn)向節(jié)材料為QT500-7球墨鑄鐵,材料參數(shù)見(jiàn)表1[10]。

表1 QT500-7球墨鑄鐵參數(shù)

4 負(fù)載

為了能夠反映轉(zhuǎn)向節(jié)在不同負(fù)載下的實(shí)際受力情況,準(zhǔn)確分析轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,選擇整車空載、承載兩人、承載四人、承載六人等四種負(fù)載條件進(jìn)行分析。通過(guò)整車檢測(cè),左前輪所受的負(fù)載分別為4 714.7 N、5 166.9 N、5 319.7 N、5 244.3 N。當(dāng)整車承載由四人增加至六人時(shí),由于整車后方質(zhì)量增大,使前輪往上翹起,產(chǎn)生負(fù)載反而減輕的現(xiàn)象。整車負(fù)載如圖3所示。圖3中,W1、W2、W3、W4依次為地面對(duì)左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的反力,L1為前輪質(zhì)心與整車質(zhì)心的距離,h0為地面與整車質(zhì)心的距離,L2為前后輪之間的距離。

5 應(yīng)力分析結(jié)果

各種負(fù)載條件下的轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表2,應(yīng)力云圖如圖4所示。

表2 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力分析結(jié)果

▲圖3 整車負(fù)載

在四種負(fù)載條件下,轉(zhuǎn)向節(jié)的最大應(yīng)力分別為188 MPa、207 MPa、211 MPa、209 MPa,均低于原始轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)材料QT500-7球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度(320 MPa),說(shuō)明原始轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)材料擁有足夠的強(qiáng)度,不會(huì)產(chǎn)生破壞。由此,轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合。

6 輕量化設(shè)計(jì)方案

目前,汽車輕量化設(shè)計(jì)方案主要包括新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新方法[11]四方面。由圖4可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)向節(jié)整體應(yīng)力遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)使用的球墨鑄鐵材料屈服極限,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足以應(yīng)對(duì)不同的承載情況。由此,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)的輕量化,在材料選擇方面仍有可調(diào)整的空間?？紤]在轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,將材料改為鋁合金。轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力主要分布在轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接處,可以適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu),提高強(qiáng)度。具體采取以下方案進(jìn)行優(yōu)化:① 將轉(zhuǎn)向節(jié)材料由QT500-7球墨鑄鐵改為ZL101A-T6鋁合金;② 在轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接處肩部?jī)蓚?cè)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

按上述方案對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行模型重構(gòu),輕量化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型如圖5所示。模型使用Solid45八格點(diǎn)線性實(shí)體單元,節(jié)點(diǎn)自由度為三個(gè)方向的位移,構(gòu)建出有限元素模型網(wǎng)格。輕量化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型如圖6所示。模型總體結(jié)構(gòu)與原始設(shè)計(jì)差別不大,但質(zhì)量由原來(lái)的3.82 kg減小至1.66 kg,輕量化效果達(dá)到56.5%。ZL101A-T6鋁合金材料的參數(shù)見(jiàn)表3[12]。

表3 ZL101A-T6鋁合金參數(shù)

7 分析結(jié)果

輕量化設(shè)計(jì)后,轉(zhuǎn)向節(jié)在各負(fù)載條件下的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表4,轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖如圖7所示。在四種負(fù)載條件下,輕量化設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向節(jié)的最大應(yīng)力分別為185 MPa、203 MPa、207 MPa、205 MPa,均小于ZL101A-T6鋁合金材料的屈服強(qiáng)度(246 MPa)。由于輕量化設(shè)計(jì)只對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)部分結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),因此使用較少的材料即獲得了補(bǔ)強(qiáng)效果,在輕量化的同時(shí),滿足轉(zhuǎn)向架機(jī)械強(qiáng)度冗余要求。筆者通過(guò)采用材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的輕量化設(shè)計(jì)方案,使轉(zhuǎn)向節(jié)滿足不同負(fù)載條件下的強(qiáng)度要求,具有充分的可行性。

▲圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

▲圖5 輕量化設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型

▲圖6 輕量化設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型

表4 輕量化設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力分析結(jié)果

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用ANSYS軟件對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行建模分析與輕量化設(shè)計(jì),通過(guò)分析轉(zhuǎn)向節(jié)在不同負(fù)載條件下的最大應(yīng)力,將材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合,得到較為理想的輕量化設(shè)計(jì)方案。由ZL101A-T6鋁合金材料代替原始QT500-7球墨鑄鐵材料,轉(zhuǎn)向節(jié)質(zhì)量由3.82 kg減小至1.66 kg,輕量化效果達(dá)到預(yù)期。

在輕量化設(shè)計(jì)中,依據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力集中于轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向橫拉桿的連接處,通過(guò)提高該部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,使強(qiáng)度滿足ZL101A-T6鋁合金材料的屈服極限,在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化的同時(shí)保證了可靠性,有效縮短設(shè)計(jì)周期。

汽車在實(shí)際行駛中,轉(zhuǎn)向節(jié)需要承受來(lái)自路面的沖擊與振動(dòng),長(zhǎng)時(shí)間承受較高的沖擊載荷容易產(chǎn)生疲勞破壞。后續(xù)有必要針對(duì)采用ZL101A-T6鋁合金材料的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)行駛測(cè)試與驗(yàn)證。

▲圖7 輕量化設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖