王一偉，劉蘊(yùn)博,，尤廣毅

1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程技術(shù)研究院，安徽合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程技術(shù)研究院有限公司，安徽合肥 230009

0 引言

目前汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，不管燃油車還是電動(dòng)車，續(xù)航里程都是消費(fèi)者非常關(guān)注的重要指標(biāo),而車輛輕量化能夠顯著提高續(xù)航里程、減少油耗和降低電池容量,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、環(huán)保的目的。車輛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個(gè)零部件是轉(zhuǎn)向節(jié),它在車輛運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承受各種載荷和力矩，其合理設(shè)計(jì)是確保汽車安全行駛的重要條件之一。

原轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)采用的是球墨鑄鐵材料，這種材料質(zhì)量較大，且生產(chǎn)加工起來(lái)較為困難。本文對(duì)原轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，將整體材料替換成鋁合金，經(jīng)建模仿真分析后，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)在某種給定工況下存在強(qiáng)度不滿足要求的情況。因此還需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將輪轂軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)直接配合結(jié)構(gòu)改為輪轂軸承與一個(gè)鋼套配合，再由鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)配合。將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)向節(jié)采用Nastran軟件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明在各種給定工況下新轉(zhuǎn)向節(jié)均滿足強(qiáng)度要求，并且質(zhì)量相對(duì)于原轉(zhuǎn)向節(jié)減輕了37%，實(shí)現(xiàn)了輕量化這一預(yù)想效果。在有限元仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)新轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均表明滿足各種性能要求，證明該方案具有可行性。

1 確定轉(zhuǎn)向節(jié)受力工況

在轉(zhuǎn)向節(jié)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品試驗(yàn)極其重要，但是試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，因此在試驗(yàn)之前需要對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。轉(zhuǎn)向節(jié)靜強(qiáng)度性能指能夠抵抗汽車行駛過(guò)程中在極限工況下的強(qiáng)度，即抵抗瞬時(shí)承受到可能的最大載荷的能力。本文選擇了轉(zhuǎn)向、剎車、剎車+轉(zhuǎn)向、單車輪最大垂直加速度和整車最大垂直加速度等典型工況來(lái)分析汽車在各種路況下的轉(zhuǎn)向節(jié)受力情況。表1為汽車在不同運(yùn)行工況下的載荷加載情況，其中方向?yàn)槠叫杏诘孛嬷赶蚝蠓剑较驗(yàn)橹赶蝰{駛員右側(cè)，方向?yàn)樨Q直向上。

表1 汽車在不同運(yùn)行工況下的載荷加載情況 單位:g

2 原轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)模型的建立與分析

為了準(zhǔn)確地對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，在Nastran有限元分析軟件中創(chuàng)建了轉(zhuǎn)向節(jié)的參數(shù)化模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分以進(jìn)行不同運(yùn)行工況下的有限元分析。本文采用直接對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)各個(gè)連接點(diǎn)施加力載荷的方法，轉(zhuǎn)向節(jié)各個(gè)安裝位置點(diǎn)如圖1所示。其中點(diǎn)表示與前橫臂的安裝點(diǎn)，點(diǎn)表示與縱臂的安裝點(diǎn)，點(diǎn)表示與后橫臂的安裝點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)為制動(dòng)卡鉗安裝點(diǎn)，還包括減振器固定點(diǎn)。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)各個(gè)安裝位置點(diǎn)

首先不改變轉(zhuǎn)向節(jié)本身結(jié)構(gòu)，只是將整體材料替換成鋁合金，并選取了3.5垂直沖擊這一典型工況，35垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)各點(diǎn)的載荷情況見(jiàn)表2。

表2 3.5 g垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)各點(diǎn)的載荷情況

根據(jù)表2施加受力點(diǎn)及其載荷，通過(guò)分析得到3.5垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)CAE計(jì)算結(jié)果如圖2所示。在原結(jié)構(gòu)不變和整體材料替換成鋁合金的情況下，3.5垂直沖擊會(huì)造成中心大孔連接處出現(xiàn)很大的應(yīng)力值，最高應(yīng)力值達(dá)到了858 MPa，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本身材料的屈服強(qiáng)度240 MPa，極有可能導(dǎo)致強(qiáng)度破壞，從而影響車輛行駛安全。

圖2 3.5 g垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)CAE計(jì)算結(jié)果

3 新轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)模型的建立與分析

為了解決原結(jié)構(gòu)下更換材料出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致不滿足強(qiáng)度的問(wèn)題，進(jìn)行了新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。新結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)思想就是將輪轂軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)直接配合結(jié)構(gòu)改為輪轂軸承與一個(gè)鋼套配合，再由鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)配合，并進(jìn)行了一些尺寸上的優(yōu)化。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3所示，優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)的各零件參數(shù)見(jiàn)表3。其中輪轂及軸承視為剛體。

圖3 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

表3 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)的各零件參數(shù)

在Nastran軟件中對(duì)優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分并創(chuàng)建參數(shù)化模型，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

在上述給定的多種典型工況下均進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，得到Von Mises 應(yīng)力與最大主應(yīng)力。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果 單位:MPa

由表4可以看出，所有工況下對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)主體結(jié)構(gòu)而言，Von Mises應(yīng)力最大值為167 MPa，主應(yīng)力最大值為175 MPa;對(duì)于鋼套而言，Von Mises應(yīng)力最大值為495 MPa，主應(yīng)力最大值為572 MPa，均滿足目標(biāo)值要求。因此根據(jù)CAE的計(jì)算結(jié)果分析，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)達(dá)到了預(yù)期效果，但仍需進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

這一節(jié)主要從試驗(yàn)方面來(lái)評(píng)價(jià)優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)的性能是否滿足要求，并且出于成本和制作數(shù)量的考量選擇了工藝成熟且成本較低的重力鑄造方式。

砂型重力鑄造的砂型模具目前主要由傳統(tǒng)方法和3D打印兩種方式完成，其中傳統(tǒng)的砂型制造流程為：CAD設(shè)計(jì)→工藝仿真→模件制作→工裝夾具制作→砂型制造→鑄造；3D打印的砂型鑄造流程為：CAD設(shè)計(jì)→工藝仿真→砂型3D打印→鑄造?？梢钥闯?，3D打印砂型簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)砂型制造的流程，大大提高了生產(chǎn)效率。最終本文選擇了3D打印砂型工藝，并通過(guò)3D打印砂型工藝來(lái)鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)物

為了測(cè)試優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)是否滿足各種受力情況，本文使用MTS汽車零件試驗(yàn)系統(tǒng)專用試驗(yàn)工裝檢測(cè)設(shè)備，并依據(jù)Q/SQR R5—33標(biāo)準(zhǔn)對(duì)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)依次進(jìn)行了3個(gè)受力的檢測(cè)項(xiàng)目，分別是垂直力試驗(yàn)、縱向力試驗(yàn)和側(cè)向力試驗(yàn)。

優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)垂直力試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)垂直力試驗(yàn)

其中加載力為：1=9.88 kN，2=11.85 kN；頻率為2.5 Hz。同時(shí)提出了檢測(cè)要求為運(yùn)行300 000 次試驗(yàn)后，不得出現(xiàn)斷裂、裂紋、破損等影響轉(zhuǎn)向節(jié)使用性能的損傷。垂直力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，其檢測(cè)照片如圖7所示。

表5 垂直力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖7 垂直力試驗(yàn)檢測(cè)照片

優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)縱向力試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)縱向力試驗(yàn)

其中加載力為：1.3-，13+(-=-513 kN，+=638 kN)；頻率為2.5 Hz。同時(shí)提出了檢測(cè)要求為運(yùn)行75 000次試驗(yàn)后，不得出現(xiàn)斷裂、裂紋、破損等影響轉(zhuǎn)向節(jié)使用性能的損傷。縱向力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，其檢測(cè)照片如圖9所示。

表6 縱向力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖9 縱向力試驗(yàn)檢測(cè)照片

優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)側(cè)向力試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)側(cè)向力試驗(yàn)

其中加載力為：-=-1.02 kN,+=6.88 kN；頻率為2.5 Hz。同時(shí)提出了檢測(cè)要求為運(yùn)行200 000次試驗(yàn)后，不得出現(xiàn)斷裂、裂紋、破損等影響轉(zhuǎn)向節(jié)使用性能的損傷。側(cè)向力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7，其檢測(cè)照片如圖11所示。由檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)能較好地滿足側(cè)向力試驗(yàn)的要求。

表7 側(cè)向力試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖11 側(cè)向力試驗(yàn)檢測(cè)照片

對(duì)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)垂向力試驗(yàn)、縱向力試驗(yàn)、側(cè)向力試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出轉(zhuǎn)向節(jié)滿足應(yīng)力強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，再次對(duì)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行耐腐蝕性檢測(cè)，從而判斷轉(zhuǎn)向節(jié)的耐腐蝕性是否滿足要求。本次耐腐蝕性試驗(yàn)依照的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 10125—2012，檢測(cè)設(shè)備使用中性鹽霧試驗(yàn)箱。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性檢測(cè)照片如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性檢測(cè)照片

轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性試驗(yàn)檢測(cè)條件見(jiàn)表8，并提出了檢測(cè)要求為外觀無(wú)明顯腐蝕。

表8 轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性試驗(yàn)檢測(cè)條件

耐腐蝕性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9，其檢測(cè)照片如圖13所示。由檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)能較好地滿足耐腐蝕性試驗(yàn)的要求。

表9 耐腐蝕性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖13 耐腐蝕性試驗(yàn)檢測(cè)照片

5 結(jié)論

本文從整車輕量化的目的出發(fā)，以轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

(1)將轉(zhuǎn)向節(jié)的材料由球墨鑄鐵改成鋁合金，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在某種常見(jiàn)工況下強(qiáng)度并不滿足要求，因此進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將輪轂軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)直接配合改為輪轂軸承與一個(gè)鋼套配合，再由鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)配合，并且對(duì)原驅(qū)動(dòng)軸套的壁厚和一些連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，從而達(dá)到加強(qiáng)轉(zhuǎn)向節(jié)的目的。

(2)為了驗(yàn)證優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)是否滿足強(qiáng)度要求，利用Nastran軟件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，結(jié)果表明優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)在各種工況下均滿足力學(xué)性能要求，且質(zhì)量相對(duì)于優(yōu)化之前減輕了37%，與預(yù)期的優(yōu)化效果相符。

(3)為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真的結(jié)果，根據(jù)優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型鑄造出實(shí)物，并分別做了垂向力試驗(yàn)、縱向力試驗(yàn)、側(cè)向力試驗(yàn)以及耐腐蝕性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求，因此該優(yōu)化方案具有可行性，可以進(jìn)一步推廣。