王一偉，劉蘊博,，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

目前汽車市場競爭十分激烈，不管燃油車還是電動車，續(xù)航里程都是消費者非常關(guān)注的重要指標,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)鍵的一個零部件是轉(zhuǎn)向節(jié),它在車輛運轉(zhuǎn)過程中承受各種載荷和力矩，其合理設(shè)計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)加工起來較為困難。本文對原轉(zhuǎn)向節(jié)進行輕量化設(shè)計，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度不滿足要求的情況。因此還需要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，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鋼套配合，再由鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)配合。將優(yōu)化設(shè)計后的轉(zhuǎn)向節(jié)采用Nastran軟件進行有限元分析，結(jié)果表明在各種給定工況下新轉(zhuǎn)向節(jié)均滿足強度要求，并且質(zhì)量相對于原轉(zhuǎn)向節(jié)減輕了37%，實現(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，對新轉(zhuǎn)向節(jié)進行了試驗，試驗結(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)整個生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品試驗極其重要，但是試驗需要耗費大量的時間和人力，因此在試驗之前需要對轉(zhuǎn)向節(jié)進行靜強度校核。轉(zhuǎn)向節(jié)靜強度性能指能夠抵抗汽車行駛過程中在極限工況下的強度，即抵抗瞬時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為汽車在不同運行工況下的載荷加載情況，其中方向為平行于地面指向后方，方向為指向駕駛員右側(cè)，方向為豎直向上。

表1 汽車在不同運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

為了準確地對轉(zhuǎn)向節(jié)進行靜強度校核，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，并對其進行網(wǎng)格劃分以進行不同運行工況下的有限元分析。本文采用直接對轉(zhuǎn)向節(jié)各個連接點施加力載荷的方法，轉(zhuǎn)向節(jié)各個安裝位置點如圖1所示。其中點表示與前橫臂的安裝點，點表示與縱臂的安裝點，點表示與后橫臂的安裝點，點和點為制動卡鉗安裝點，還包括減振器固定點。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)各個安裝位置點

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)各點的載荷情況見表2。

表2 3.5 g垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)各點的載荷情況

根據(jù)表2施加受力點及其載荷，通過分析得到3.5垂直沖擊下轉(zhuǎn)向節(jié)CAE計算結(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)力值達到了858 MPa，這遠遠超過本身材料的屈服強度240 MPa，極有可能導(dǎo)致強度破壞，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)力過大而導(dǎo)致不滿足強度的問題，進行了新結(jié)構(gòu)的設(shè)計。新結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計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鋼套配合，再由鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)配合，并進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軟件中對優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)進行網(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行了有限元計算分析，得到Von Mises 應(yīng)力與最大主應(yīng)力。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)強度分析結(jié)果見表4。

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

由表4可以看出，所有工況下對于轉(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，均滿足目標值要求。因此根據(jù)CAE的計算結(jié)果分析，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)達到了預(yù)期效果，但仍需進行進一步的試驗驗證。

4 試驗驗證

這一節(jié)主要從試驗方面來評價優(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→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→工藝仿真→砂型3D打印→鑄造?？梢钥闯?，3D打印砂型簡化了傳統(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3D打印砂型工藝來鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)實物如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)實物

為了測試優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)是否滿足各種受力情況，本文使用MTS汽車零件試驗系統(tǒng)專用試驗工裝檢測設(shè)備，并依據(jù)Q/SQR R5—33標準對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)依次進行了3個受力的檢測項目，分別是垂直力試驗、縱向力試驗和側(cè)向力試驗。

優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)垂直力試驗如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)垂直力試驗

其中加載力為：1=9.88 kN，2=11.85 kN；頻率為2.5 Hz。同時提出了檢測要求為運行300 000 次試驗后，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。垂直力試驗檢測結(jié)果見表5，其檢測照片如圖7所示。

表5 垂直力試驗檢測結(jié)果

圖7 垂直力試驗檢測照片

優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)縱向力試驗如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)縱向力試驗

其中加載力為：1.3-，13+(-=-513 kN，+=638 kN)；頻率為2.5 Hz。同時提出了檢測要求為運行75 000次試驗后，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。縱向力試驗檢測結(jié)果見表6，其檢測照片如圖9所示。

表6 縱向力試驗檢測結(jié)果

圖9 縱向力試驗檢測照片

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

圖10 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)側(cè)向力試驗

其中加載力為：-=-1.02 kN,+=6.88 kN；頻率為2.5 Hz。同時提出了檢測要求為運行200 000次試驗后，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)向力試驗檢測結(jié)果見表7，其檢測照片如圖11所示。由檢測結(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)向力試驗的要求。

表7 側(cè)向力試驗檢測結(jié)果

圖11 側(cè)向力試驗檢測照片

對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)通過垂向力試驗、縱向力試驗、側(cè)向力試驗后，根據(jù)試驗結(jié)果得出轉(zhuǎn)向節(jié)滿足應(yīng)力強度。在此基礎(chǔ)上，再次對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)進行耐腐蝕性檢測，從而判斷轉(zhuǎn)向節(jié)的耐腐蝕性是否滿足要求。本次耐腐蝕性試驗依照的標準為GB/T 10125—2012，檢測設(shè)備使用中性鹽霧試驗箱。優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性檢測照片如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性檢測照片

轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性試驗檢測條件見表8，并提出了檢測要求為外觀無明顯腐蝕。

表8 轉(zhuǎn)向節(jié)耐腐蝕性試驗檢測條件

耐腐蝕性試驗檢測結(jié)果見表9，其檢測照片如圖13所示。由檢測結(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的要求。

表9 耐腐蝕性試驗檢測結(jié)果

圖13 耐腐蝕性試驗檢測照片

5 結(jié)論

本文從整車輕量化的目的出發(fā)，以轉(zhuǎn)向節(jié)為研究對象，對其進行了輕量化設(shè)計。

(1)將轉(zhuǎn)向節(jié)的材料由球墨鑄鐵改成鋁合金，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)在某種常見工況下強度并不滿足要求，因此進一步對結(jié)構(gòu)進行了改進，將輪轂軸承與轉(zhuǎn)向節(jié)直接配合改為輪轂軸承與一個鋼套配合，再由鋼套與轉(zhuǎn)向節(jié)配合，并且對原驅(qū)動軸套的壁厚和一些連接結(jié)構(gòu)進行尺寸優(yōu)化，從而達到加強轉(zhuǎn)向節(jié)的目的。

(2)為了驗證優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)是否滿足強度要求，利用Nastran軟件進行有限元計算分析，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)為了進一步驗證仿真的結(jié)果，根據(jù)優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型鑄造出實物，并分別做了垂向力試驗、縱向力試驗、側(cè)向力試驗以及耐腐蝕性試驗，試驗結(jié)果均滿足要求，因此該優(yōu)化方案具有可行性，可以進一步推廣。