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        鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析

        2022-11-22 07:23:44姜子敬林少輝楊磊李振興郭秋彥鄭琪
        時代汽車 2022年22期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)合材料汽車

        姜子敬 林少輝 楊磊 李振興 郭秋彥 鄭琪

        吉利汽車研究院(寧波)有限公司 浙江省寧波市 315336

        1 前言

        汽車電動化、智能化時代人們對車輛的安全、操作穩(wěn)定性和駕駛樂趣的要求越來越高。車身和底盤結(jié)構(gòu)作為汽車安全保障的承載結(jié)構(gòu)目前仍以金屬材料為主。但隨著電動車提升續(xù)航對整車輕量化需求的日益迫切,各大主機(jī)廠紛紛引入輕質(zhì)金屬材料研發(fā)。鋁合金相比于鋼強(qiáng)度較低,在汽車底盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受限,而在鋁合金中加入耐磨的陶瓷顆粒,形成新型的鋁基復(fù)合材料,則具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨性能。并且新型鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率與鋁合金相當(dāng),具有良好的散熱性能。同時,陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料具有良好的剛性,可以通過組分的優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)滿足汽車不同使用工況要求的性能。[1]鋁基復(fù)合材料代替鋼等傳統(tǒng)汽車材料,用于底盤、車身結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵零件,特別是高強(qiáng)度運動零件,對減小整車質(zhì)量、降低轉(zhuǎn)動慣量、降低整車簧下質(zhì)量,提高續(xù)航里程,實現(xiàn)更優(yōu)異的操縱性能等都具有非常積極的作用,在汽車領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

        顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料結(jié)合了陶瓷顆粒硬度高、剛度高和鋁合金密度低、塑性高的優(yōu)點,使其具有增強(qiáng)顆粒和鋁合金基體兩種材料優(yōu)越特性的結(jié)合,綜合性能較傳統(tǒng)鋁合金材料大幅提升,呈現(xiàn)出高比強(qiáng)度、高比剛度和高比模量。[2]鋁基復(fù)合材料的制備方法主要有外加顆粒制法和原位自生顆粒增強(qiáng)制法。外加顆粒法是傳統(tǒng)的增強(qiáng)鋁基材料制備方法,首先通過機(jī)械破損的方法得到陶瓷增強(qiáng)顆粒,然后通過攪拌鑄造或擠壓鑄造的方法獲得金屬基復(fù)合材料。[3]此種方法是依靠陶瓷顆粒和鋁合金材料的物理結(jié)合,通常稱為陶鋁。和傳統(tǒng)的外加顆粒法不同,原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒并不是將預(yù)先制備好的陶瓷顆粒通過物理結(jié)合的方法引入到鋁熔體中,而是通過高溫熔鹽經(jīng)化學(xué)合成反應(yīng)在鋁熔體中自發(fā)生成。[4]在陶瓷增強(qiáng)顆粒反應(yīng)生成的同時,鋁基復(fù)合材料的制備也同步完成。原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料由于增強(qiáng)體顆粒在熔體內(nèi)直接反應(yīng)生成,界面相容性和結(jié)合性良好,從而保證了鋁基復(fù)合材料良好的綜合性能。[7]此種鋁基增強(qiáng)復(fù)合材料的性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通的鋁合金材料,先前主要應(yīng)用于航空、航天和軍工領(lǐng)域,當(dāng)前隨著材料技術(shù)和汽車行業(yè)的發(fā)展,陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已逐步擴(kuò)展在汽車底盤件應(yīng)用。本文選用了一種通過原位自生顆粒增強(qiáng)方法制備的陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于汽車的轉(zhuǎn)向節(jié),進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析。

        2 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 設(shè)計思路

        汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是連接汽車方向盤與前輪軸的部件,并且與減震器相連。轉(zhuǎn)向節(jié)的功能主要有以下3部分:1)與前輪軸相連接,承擔(dān)前輪軸傳遞的力和力矩;2)承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向功能的轉(zhuǎn)動部件;3)吸收汽車行進(jìn)過程中的震蕩。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車部件中應(yīng)力最為集中、最為復(fù)雜的零件,直接關(guān)系到汽車的安全性能。[5]因此,汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計要求嚴(yán)苛,性能測試項目多且周期長。

        本研究主要以實現(xiàn)輕量化為目的,研究將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能表現(xiàn)。在改變制動系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向節(jié)裝配關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新、鋁基增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用、先進(jìn)的擠壓鑄造工藝研究,開發(fā)出以新型鋁合金復(fù)合材料代替鑄鐵且滿足性能的輕量化轉(zhuǎn)向節(jié)。在現(xiàn)代轎車中主流的懸掛系統(tǒng)為麥弗遜獨立懸掛式,一般用在轎車前輪。轉(zhuǎn)向節(jié)主要與減震器、控制臂、制動卡鉗和轉(zhuǎn)向橫拉桿相連,其位置如圖1。

        2.2 材料和工藝確定

        本研究選用一種市場成熟的陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,此材料與鑄鐵性能對比如表1。由鋁基復(fù)合材料和鑄鐵材料的性能對比可以看出,兩者在伸長率和屈服強(qiáng)度方面差異不大,但從輕量化角度可以實現(xiàn)以鋁基復(fù)合材料代替鑄鐵達(dá)到同等性能水平。

        表1 鋁基復(fù)合材料與鑄鐵材料性能對比

        擠壓鑄造是一種金屬液在機(jī)械力作用下結(jié)晶凝固的先進(jìn)成型技術(shù)。在壓力作用下,金屬液在整個凝固過程中與模具緊密接觸,增加金屬液的熱傳遞系數(shù)及冷卻率,組織更加細(xì)小,獲得的制品表面粗糙度低,尺寸精度高,同時壓力提高制品的密度,機(jī)械性能提高。壓力在凝固過程中為補(bǔ)縮提供動力,大大減小制品中的縮孔縮松以及氣孔等缺陷。擠壓鑄造制品還可進(jìn)行焊接及熱處理。間接擠壓鑄造靠澆注系統(tǒng)將壓力傳遞給制品,易成型復(fù)雜形狀的制品。因此,本研究選用擠壓鑄造工藝進(jìn)行鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)的成型工藝。

        2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)與原方案鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)所有硬點一樣,裝配關(guān)系一致,各工況滿足原鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)一樣的要求。通過對鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)與各裝配關(guān)系的分析,以裝配關(guān)系作為參考,在裝配關(guān)系不變的情況下,初步設(shè)計轉(zhuǎn)向節(jié)的配合部位結(jié)構(gòu)。圖2為轉(zhuǎn)向節(jié)與配合件連接位置設(shè)計。

        圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)與連接點位置結(jié)構(gòu)設(shè)計

        根據(jù)擠壓鑄造工藝成型要求與受力情況分析完善轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu),相關(guān)部位連接,結(jié)合擠壓鑄造特殊性,對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化形成初版結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

        對初版結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步強(qiáng)度校核分析,發(fā)現(xiàn)減震器套筒部位較為薄弱,此位置校核最大應(yīng)力高于材料的屈服強(qiáng)度,容易發(fā)生斷裂,因此必須對此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化方案為:(1)增加此位置壁厚,使其可承載更大應(yīng)力;(2)在此位置增加一個橫拉筋,分擔(dān)應(yīng)力;(3)加大過渡圓角,使應(yīng)力得到分散傳遞;(4)在轉(zhuǎn)向節(jié)后側(cè)增加一個加強(qiáng)筋,使應(yīng)力分散。對上述幾個方案進(jìn)行設(shè)計并強(qiáng)度校核分析,分析結(jié)果表明方案(4)可有效分散此位置的應(yīng)力集中,滿足轉(zhuǎn)向節(jié)所有工況的要求。

        轉(zhuǎn)向節(jié)與卡鉗配合面的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化如圖3。轉(zhuǎn)向節(jié)與制動卡鉗裝配面的兩處加強(qiáng)筋進(jìn)行設(shè)計變更,改善局部位置應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象。制動卡鉗處強(qiáng)度過大,對其安裝面再設(shè)計,以減小產(chǎn)品重量,此零件產(chǎn)品重量1.76kg。但由于制動卡鉗與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配后存在強(qiáng)度不足風(fēng)險,可將上下兩耳加關(guān)聯(lián)強(qiáng)筋,增強(qiáng)其強(qiáng)度。

        圖3 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)初版數(shù)據(jù)

        圖4 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)與卡鉗配合面結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

        為提升安全性,對側(cè)拉筋處加強(qiáng)處理,但加強(qiáng)筋高度增高后發(fā)生與傳動軸干涉問題。為增強(qiáng)側(cè)筋強(qiáng)度與整體強(qiáng)度,對側(cè)筋的薄厚進(jìn)行調(diào)整,增大強(qiáng)度。鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)加強(qiáng)筋設(shè)計和終版數(shù)據(jù)如圖5,此零件重量為1.838kg。

        圖5 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)加強(qiáng)筋設(shè)計和終版數(shù)據(jù)

        3 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度校核分析

        根據(jù)車型前懸架動力學(xué)載荷情況,建立轉(zhuǎn)向節(jié)CAE有限元模型,分析工況1-11強(qiáng)度性能。由圖6、表2轉(zhuǎn)向節(jié)使用工況強(qiáng)度校核仿真分析結(jié)果可以看出,鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)各強(qiáng)度工況下最大應(yīng)力均未超出材料屈服強(qiáng)度300MPa,滿足強(qiáng)度要求。各工況下塑性應(yīng)變均小于0.2%,滿足變形要求。最終鋁基復(fù)合材料的重量1.838kg,相比于鑄鐵結(jié)構(gòu)2.8kg,減重35%,輕量化效果顯著。

        圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)使用工況強(qiáng)度CAE分析結(jié)果

        表2 鋁基復(fù)合材料轉(zhuǎn)向節(jié)各工況校核結(jié)果

        4 結(jié)論

        陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨性能,可作為新型的輕量化復(fù)合材料應(yīng)用于汽車領(lǐng)域,尤其是工況復(fù)雜的高強(qiáng)度動態(tài)零部件。本文從設(shè)計思路、材料和工藝確定方面綜合考量,進(jìn)行了鋁基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能仿真分析,可滿足鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)同等的工況性能要求,并且實現(xiàn)35%的輕量化效果。

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