齊軍， 盛云

(1.上海匯眾汽車制造有限公司， 上海 200122；2.上海汽車底盤電子化及輕量化工程技術(shù)研究中心， 上海 200122)

0 引 言

襯套和套筒靠過盈配合連接，且要求襯套能在任何使用工況下都始終保持在套筒內(nèi)，否則不能實現(xiàn)傳遞載荷和隔絕振動的功能，并會導(dǎo)致異響或NVH和操控性能下降等問題。襯套始終保持在套筒內(nèi)，轉(zhuǎn)化到工程要求即為襯套的壓出力須滿足一定要求。[1]壓入力的大小直接影響套筒和襯套的物理狀態(tài)，從而影響壓出力的大小。壓入力過大，受限于壓機能力，襯套可能壓入不完全或襯套外壁塑性變形過大，影響襯套的剛度和阻尼特性；壓入力過小，襯套與套筒連接的可靠性減弱，使襯套吸收沖擊、減小振動的效果變差，而且容易出現(xiàn)脫離失效。因此，襯套的壓裝雖然看起來是一個很簡單的動作，但其可靠性對底盤系統(tǒng)乃至整車的各項性能均有重要影響。

襯套壓裝過程一般通過壓力-位移曲線監(jiān)控[2]。在某扭力梁后橋襯套裝配過程中，出現(xiàn)壓入過程壓機負(fù)載較大、后半程曲線抖動嚴(yán)重的現(xiàn)象，且伴有“吱吱”異響，襯套無法壓裝到位。本文采用有限元法對此問題進(jìn)行剖析，確定解決方案。

1 襯套壓裝工藝及存在的問題

該扭力梁后橋襯套壓裝設(shè)備與布置見圖1。壓機采用臥式壓機，左、右兩側(cè)襯套同時上料、同步壓入。實測壓入力-位移曲線見圖2，在壓入約50 mm后壓入力出現(xiàn)劇烈抖動，此時壓機已處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，接近壓機的工作極限100 kN，該襯套仍無法完全壓入。

圖1 襯套壓裝設(shè)備與布置

圖2 實測壓入力-位移曲線

抽取同批次的20件套管與襯套進(jìn)行尺寸檢測并分析壓入力。套管內(nèi)徑尺寸為79.51～79.70 mm，襯套外徑尺寸為80.22～80.44 mm，換算過盈量為0.52～0.93 mm，而設(shè)計過盈量為0.3～0.7 mm，換算過盈量存在高于配合的情況。為分析過盈量及其他因素對壓入力和壓出力(統(tǒng)稱壓裝力)的影響，結(jié)合有限元法，建立襯套壓裝過程仿真模型。

2 襯套壓裝有限元建模

有限元法常用于分析過盈裝配過程，計算可得到壓入力-位移曲線，幫助確定合理的過盈壓裝方案[3-5]。

套筒設(shè)計內(nèi)徑80.0 mm，公差-0.4～-0.2 mm，襯套外壁設(shè)計外徑80.2 mm，公差-0.1～0.1 mm，建立套筒和襯套三維數(shù)值模型，并在Altair HyperMesh軟件中使用六面體單元劃分網(wǎng)格，單元尺寸為2.0～3.0 mm，得到離散化網(wǎng)格模型，單元總數(shù)30 670個，節(jié)點總數(shù)41 867個，有限元模型見圖3。

圖3 襯套壓裝有限元模型

在襯套頂端和套筒底端的端面圓心處分別建立硬點并將其標(biāo)記為硬點1和2；壓裝過程中設(shè)置套筒始終保持靜止，移動襯套完成壓入或者壓出動作。在套筒底端和襯套外壁頂端建立RBE2剛性連接，模擬載荷施加的連接關(guān)系。

襯套壓裝過程分為壓入過程和壓出過程。設(shè)置襯套端面硬點1(襯套上端面的圓心)沿襯套軸向的強制位移，位移值由襯套壓裝的行程和初始襯套與套筒的間隙決定，約束硬點1其余5個方向的自由度。套筒底端的硬點2邊界條件為約束6個方向的自由度。壓入、壓出過程的區(qū)別僅在于壓裝強制位移值的不同。

套筒材料為鋼20+N，其屈服強度為357 MPa，抗拉強度為507 MPa；襯套外壁鋼為DC04，其屈服強度為115 MPa，抗拉強度為263 MPa；摩擦系數(shù)設(shè)為0.3[6]。對壓裝有限元模型進(jìn)行仿真試算，發(fā)現(xiàn)在0.3 mm過盈量下最大壓入力為29.6 kN，在0.7 mm過盈量下最大壓入力為16.5 kN。這與實際不符，原因可能是：一方面，材料參數(shù)對仿真有重要影響，是導(dǎo)致仿真壓入力過低的主要原因；另一方面，當(dāng)過盈量過大時，由于DC04鋼材料屈服強度較低，塑性變形過大，壓入力反而降低。

襯套外壁的加工工藝為沖壓成型，考慮沖壓硬化對材料性能的影響。對襯套外壁取樣，實測得到其屈服強度為463 MPa，抗拉強度為497 MPa，其與鋼DC04原材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比見圖4。

圖4 襯套外壁實物與原材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

采用實物取樣得到的材料參數(shù)，對0.30 mm過盈量的壓裝仿真模型進(jìn)行計算，最大壓入力為84.56 kN，與實際較為接近。

3 影響因素分析

過盈量對壓裝有顯著影響，仿真分析時可適當(dāng)調(diào)寬設(shè)計過盈量范圍，分析是否存在顯著降低壓入力的過盈量區(qū)間。套管通過焊接連接到扭力梁本體，焊接導(dǎo)致的套管變形也可能對壓裝有一定影響。摩擦系數(shù)對壓裝有較顯著的影響，若通過涂油降低摩擦系數(shù)，也可能降低壓入力。

3.1 過盈量的影響

設(shè)定過盈量為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.50和0.70 mm，分別建立對應(yīng)的襯套三維有限元模型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3[6]，相關(guān)尺寸參數(shù)和壓裝力計算結(jié)果見表1，壓裝力與過盈量關(guān)系曲線見圖5。

表 1 不同過盈量時壓裝力計算結(jié)果

圖5 壓裝力與過盈量的關(guān)系曲線

由圖5可以看出，當(dāng)過盈量為0.3～0.7 mm時，壓入力相差很小，只有過盈量低于0.30 mm時壓入力才隨著過盈量的遞減而大幅降低。

3.2 焊接變形的影響

套管通過焊接連接到扭力梁后橋，測量實物發(fā)現(xiàn)，套管焊接前圓度較好，焊接后存在較明顯的焊接變形，導(dǎo)入端呈橢圓狀，徑向直徑相差約0.60 mm，且焊接后套管的平均值較焊接前略有縮小。

為分析焊接變形對襯套壓裝過程的影響，先對套管進(jìn)行焊接變形仿真。在Sysweld中建立套管焊接變形有限元仿真模型，結(jié)果見圖6。將焊接變形仿真得到的bdf網(wǎng)格文件導(dǎo)入HyperMesh軟件中進(jìn)行計算，套筒和與之焊接連接的結(jié)構(gòu)仍作為殼單元處理，襯套采用六面體單元。調(diào)整套筒端面的節(jié)點，以保留套筒端面倒角特征，其余接觸面的設(shè)置方法與常規(guī)未考慮焊接變形分析的壓裝仿真一致，可獲得考慮焊接變形的襯套壓裝力仿真結(jié)果。焊接變形對壓裝力-位移曲線的影響見圖7，曲線上半部分為壓入力，下半部分為壓出力，可見壓入與壓出過程形成一條閉合的曲線。

圖6 套管焊接變形有限元仿真模型

圖7 是否考慮焊接變形對壓裝力-位移曲線的影響

不考慮焊接變形時的最大壓入力為84.5 kN、最大壓出力為69.5 kN，考慮焊接變形的最大壓入力為78.5 kN、最大壓出力為67.5 kN：焊接變形使壓入力降低6.0 kN(降幅7%)、壓出力降低2.0 kN(降幅3%)，對壓出力影響相對較小。

3.3 摩擦系數(shù)的影響

綜合考慮過盈量與摩擦系數(shù)的影響，分別選擇0.1和0.5 mm的過盈量，設(shè)置0.10、0.15、0.20、0.25和0.30的摩擦系數(shù)，分析壓裝力的變化，結(jié)果見表2和圖8。

表 2 不同摩擦系數(shù)下壓裝力仿真結(jié)果

圖8 壓裝力與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線

4 解決方案與驗證

綜合上述分析，擬定解決方案并制作樣件：方案一，增大套筒內(nèi)徑、縮小襯套外壁外徑，以降低總體過盈量；方案二，在方案一的基礎(chǔ)上疊加襯套外壁涂油，降低摩擦系數(shù)。在該批次試制樣件中，套管內(nèi)徑平均尺寸為79.80 mm，襯套外徑平均尺寸為80.21 mm，平均過盈量為0.41 mm，較問題樣件的平均過盈量減小0.31 mm。壓裝試驗壓入力實測結(jié)果分別見表3和4。

表 3 方案一襯套樣件壓入力實測結(jié)果

表 4 方案二襯套樣件壓入力實測結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出：方案一使平均壓入力較初始狀態(tài)降低約15 kN；方案二中的涂油又使平均壓入力繼續(xù)下降約9 kN，此時壓入力完全滿足壓機負(fù)荷要求，且壓入后沒有出現(xiàn)任何壓裝缺陷。因此，最終采用方案二進(jìn)行工藝改進(jìn)。

5 結(jié) 論

針對生產(chǎn)實踐中襯套和套筒裝配出現(xiàn)壓入力過大甚至導(dǎo)致襯套無法完全壓入的問題，理論聯(lián)系實際，開展襯套壓裝過程模擬分析，解決壓裝力過大問題，主要結(jié)論如下：

(1) 材料參數(shù)對襯套壓裝結(jié)果影響極大，仿真前必須了解工藝過程，盡可能從實物上取樣進(jìn)行材料參數(shù)測試，以確保仿真模型的準(zhǔn)確性。

(2) 過盈量0.3 mm是壓裝力變化的轉(zhuǎn)折點，過盈量低于0.3 mm時過盈量對壓裝力有明顯影響，而過盈量高于0.3 mm后壓裝力變化較為平緩。過盈量為襯套與套管尺寸的綜合計算量，0.3 mm這一理論值與實際狀態(tài)可能會有一定偏差。

(3) 摩擦系數(shù)與壓裝力成線性關(guān)系，在襯套外涂油降低摩擦系數(shù)是降低壓裝力的有效方法。

(4) 采用降低過盈量并涂油的方案，試驗驗證壓入力可降低至50.5 kN，有效解決原襯套壓入力過大的問題。