馮翠云

（桂林信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)快速發(fā)展，汽車質(zhì)量、汽車的安全性、舒適性等日益受到重視[1]?？刂票凼瞧嚨妆P運(yùn)動(dòng)和承載的主要導(dǎo)向零部件,在汽車懸架系統(tǒng)中，球銷總成連接控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)[2]。汽車控制臂是懸架的導(dǎo)向和支撐，其變形影響車輪定位，降低行車穩(wěn)定性。而球銷的作用是和控制臂進(jìn)行配合起到穩(wěn)定車身和輔助轉(zhuǎn)向的作用，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵零件，其回轉(zhuǎn)力矩、擺動(dòng)力矩大小和拔脫力的大小直接影響汽車的駕駛舒適性和安全性[3]。本文基于有限元數(shù)字模擬方法，模擬控制臂球銷總成在不同裝配過(guò)盈量條件下回轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩、工作力矩和擺動(dòng)力矩的變化，最后確定其合理的裝配過(guò)盈量，以縮短設(shè)計(jì)周期和成本，并給出裝配過(guò)盈量與力矩之間的關(guān)系。

1 控制臂球銷總成模型建立

控制臂球銷總成結(jié)構(gòu)如圖1所示。因?yàn)橛邢拊治鲋环治銮蜾N與球銷座和殼體之間在不同過(guò)盈量條件下，球銷的回轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩、工作回轉(zhuǎn)力矩和擺動(dòng)±19°范圍內(nèi)的力矩，所以對(duì)控制臂球銷總成進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除與分析無(wú)關(guān)的控制臂本體、防塵罩等零件便于提高計(jì)算效率，簡(jiǎn)化后的模型用CATIA 軟件建立球銷總成三維模型如圖2 所示。球銷總成設(shè)計(jì)技術(shù)要求是：?jiǎn)?dòng)力矩小于等于8 N·m，工作旋轉(zhuǎn)力矩控制在0.5～4.0 N·m之間；在±19°范圍內(nèi)工作擺動(dòng)力矩控制在0.5～4.0 N·m之間，如表1所示。

表1 球銷總成設(shè)計(jì)技術(shù)要求

圖1 控制臂球銷總成

圖2 球銷總成模型

2 球銷總成裝配過(guò)盈量方案設(shè)定

影響球銷的力矩大小的主要因素有材料屬性、接觸摩擦因數(shù)、裝配過(guò)盈量大小等3個(gè)主要因素。材料屬性和接觸摩擦因數(shù)可以通過(guò)廠家提供的材料手冊(cè)或者實(shí)驗(yàn)得到其屬性，但是裝配過(guò)盈量大小產(chǎn)生的壓力很難通過(guò)手動(dòng)計(jì)算獲得，且球銷在旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)過(guò)程中的力是變化的，傳統(tǒng)的計(jì)算公式很難獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，因此需要借助有限元的方法進(jìn)行計(jì)算來(lái)獲得應(yīng)力大小和力矩。球銷裝配尺寸為φA值，初步設(shè)定過(guò)盈量為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm 五種裝配關(guān)系，模型如圖3所示。

圖3 球銷過(guò)盈量裝配

3 球銷總成力矩有限元分析

3.1 材料屬性

殼體材料采用20鋼，材料力學(xué)性能為：彈性模量E=2.13×105MPa，泊松比μ=0.282；球銷座材料采用POM，彈性模量E=2.6×103MPa，泊松比μ=0.386；球銷材料采用40Cr，彈性模量E=2.11×105MPa, 泊松比μ=0.277，如表2所示[3-5]。

表2 球銷總成材料力學(xué)性能

3.2 球銷總成分析模型建立

將簡(jiǎn)化后的球銷總成三維模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，建立簡(jiǎn)化后力學(xué)模型（如圖4）。因?yàn)樯w板不是分析的主要對(duì)象，為了提高計(jì)算效率，刪除蓋板做簡(jiǎn)化處理，殼體外圈固定約束。在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，在球頭中心處設(shè)置參考點(diǎn)，球銷桿部位與參考點(diǎn)進(jìn)行耦合設(shè)置，在參考點(diǎn)施加旋轉(zhuǎn)載荷和擺動(dòng)載荷[6]。在ABAQUS軟件分析計(jì)算時(shí)，采用通用靜力學(xué)分析步計(jì)算，建立好分析模型，輸入材料特性，設(shè)置好5種工況。在殼體和球銷座接觸部位設(shè)置好過(guò)盈量為0.05、0.10、0.15、0.2、0.25 mm五種裝配關(guān)系的分析步。

圖4 簡(jiǎn)化計(jì)算受力模型

3.3 球銷座改進(jìn)前模擬計(jì)算結(jié)果分析

球銷座改進(jìn)前模型采用內(nèi)部淺槽結(jié)構(gòu)，槽子深度為0.25 mm，中間繞軸線槽寬2.5 mm，6個(gè)均勻分布槽子寬為1 mm，深為0.25 mm，如圖5所示。模型導(dǎo)入ABAQUS軟件，單元采用C3D8R，共19 050個(gè)六面體單元（如圖6）。按照過(guò)盈量為0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mm五種裝配關(guān)系，旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)±19°進(jìn)行加載求解，球銷的啟動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩如圖7所示。圖7中橫坐標(biāo)時(shí)間從0到1階段為球銷啟動(dòng)力矩曲線，1到2階段為工作旋轉(zhuǎn)和擺角從0°到19°力矩曲線。在裝配過(guò)盈量為0.05 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為5.51～5.70 N·m，在0°～19°擺角工作范圍內(nèi)球銷力矩為3.07～4.34 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.10 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為5.10～8.39 N·m，擺動(dòng)工作力矩為4.60～6.57 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.15 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為7.24～7.53 N·m，擺動(dòng)工作力矩為3.45～4.95 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.20 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為5.71～6.69 N·m，擺動(dòng)工作力矩為3.30～5.21 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.25 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為6.01～6.59 N·m，擺動(dòng)工作力矩為3.71～4.35 N·m；從圖7中數(shù)據(jù)分析可以獲知，過(guò)盈量取0.05 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩最大為5.70 N·m，符合旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩小于8 N·m的技術(shù)要求，但是擺動(dòng)工作力矩4.34 N·m超出了擺動(dòng)工作力矩小于4 N·m的技術(shù)要求；其他0.10、0.15、0.20、0.25 mm均不符合技術(shù)要求。從圖7中可以獲知，過(guò)盈量從0.15、0.20、0.25 mm變化時(shí)，力矩不是升高的，反而下降了。其原因是球座發(fā)生了塑性變形，其局部應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度60.6 MPa，導(dǎo)致力矩下降，最終產(chǎn)品磨損會(huì)加快，其使用壽命降低，0.25 mm過(guò)盈量應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖5 改進(jìn)前球銷座結(jié)構(gòu)

圖6 球銷總成有限元模型

圖7 旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)和擺動(dòng)工作力矩曲線圖

圖8 0.25 mm等效應(yīng)力云圖

4 球座結(jié)構(gòu)改進(jìn)有限元分析

4.1 球銷座結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1）原始設(shè)計(jì)方案球銷啟動(dòng)和擺動(dòng)工作力矩過(guò)大，超出產(chǎn)品的技術(shù)要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。影響球銷啟動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩的主要因素是：摩擦因數(shù)、球銷座結(jié)構(gòu)和裝配過(guò)盈量。而摩擦因數(shù)越小，球座磨損就越小，球座內(nèi)部加注潤(rùn)滑劑摩擦因數(shù)取0.05，但是啟動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩還是超過(guò)了啟動(dòng)力矩小于8 N·m和擺動(dòng)力矩小于4 N·m的技術(shù)要求，因此只能對(duì)球銷座進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)后的球銷座設(shè)計(jì)6條貫穿的槽，槽寬為1.1 mm，中間環(huán)形槽的槽寬為2.5 mm、槽深為0.5 mm，目的是殼體和球銷座過(guò)盈配合時(shí)，球銷座開(kāi)口槽可以容納一定的球銷座的彈性變形量，避免球銷座產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形，加速球銷座的磨損，導(dǎo)致其壽命降低，改進(jìn)后的球銷座如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后的球銷座模型

4.2 球銷座改進(jìn)后模擬計(jì)算結(jié)果分析

球銷座結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模型導(dǎo)入ABAQUS軟件，單元采用C3D8R，共22 052個(gè)六面體單元，如圖10所示。球銷座改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)與殼體按照過(guò)盈量為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mm五種裝配關(guān)系設(shè)定邊界條件，旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)±19°進(jìn)行加載求解，得到球銷的啟動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩如圖11所示。圖11中橫坐標(biāo)時(shí)間從0到1階段為球銷啟動(dòng)力矩曲線，1到2階段為從0°到19°擺角力矩曲線。在裝配過(guò)盈量為0.05 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為3.82～3.99 N·m，在0°～19°擺角時(shí)球銷力矩為1.52～2.21 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.10 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為5.65～5.85 N·m，擺動(dòng)力矩為2.22～3.59 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.15 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為6.38～6.58 N·m，擺動(dòng)力矩為2.35～3.69 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.20 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為6.39～6.52 N·m，擺動(dòng)力矩為2.14～4.12 N·m；在裝配過(guò)盈量為0.25 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩為5.81～6.12 N·m，擺動(dòng)力矩為1.60～4.69 N·m。從圖10中數(shù)據(jù)分析可以獲知，過(guò)盈量取0.05、0.10、0.15 mm 時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩最大值分別為3.99、5.85、6.58 N·m；擺動(dòng)最大力矩分別為2.21、3.59、3.69 N·m均滿足啟動(dòng)力矩小于8 N·m和擺動(dòng)力矩小于4 N·m的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)要求。但過(guò)盈量取0.20 mm和0.25 mm時(shí)，球銷啟動(dòng)力矩分別為6.52 N·m和6.12 N·m；擺動(dòng)力矩最大為4.12 N·m和4.69 N·m，超出技術(shù)要求小于4 N·m的要求，且旋轉(zhuǎn)力矩出現(xiàn)不升高、反而下降的現(xiàn)象。其原因是球座發(fā)生了塑性變形，其局部應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度60.6 MPa，導(dǎo)致力矩下降，最終產(chǎn)品磨損會(huì)加快，其使用壽命降低。因此，控制臂球銷座與殼體的合理過(guò)盈量控制在0.05～0.15 mm之間比較合理。球銷啟動(dòng)力矩和擺動(dòng)力矩均滿足啟動(dòng)力矩小于8 N·m，擺動(dòng)工作力矩小于4 N·m的技術(shù)要求，并且球銷座的變形控制在彈性變形范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)合理。過(guò)盈量為0.05 mm和0.1 mm的應(yīng)力圖如圖12、圖13所示，應(yīng)力為59 MPa和59.5 MPa，小于屈服應(yīng)力60.6 MPa，產(chǎn)品實(shí)物如圖14所示。

圖10 球銷總成有限元模型

圖11 旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)和擺動(dòng)工作力矩曲線圖

圖12 0.05 mm等效應(yīng)力云圖

圖13 0.1 mm等效應(yīng)力云圖

圖14 產(chǎn)品實(shí)物圖

5 結(jié)論

控制臂球銷總成受力復(fù)雜，僅進(jìn)行靜力彈性階段的分析不符合實(shí)際工況，還需要考慮材料彈塑性變形因素，以及旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)動(dòng)態(tài)工況下的力矩變化。對(duì)零件進(jìn)行動(dòng)態(tài)全程工況分析，應(yīng)用ABAQUS軟件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)全過(guò)程模擬分析，獲得球銷座和殼體之間過(guò)盈配合量大小與啟動(dòng)力矩和工作力矩的曲線關(guān)系圖，以及各工況產(chǎn)生的最大應(yīng)力。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)球銷座進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，最終獲得最佳的結(jié)構(gòu)和裝配過(guò)盈量控制在0.05～0.15 mm之間，摩擦因數(shù)取0.05是比較合理的。最后，通過(guò)產(chǎn)品試制測(cè)試表明，數(shù)值模擬計(jì)算和試制產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果基本一致，改進(jìn)后的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了可以借鑒的設(shè)計(jì)新思路和新方法。