王文龍，張井海，李華雷，康少峰，鄒有坤

WANG Wen-long, ZHANG Jing-hai, LI Hua-lei, KANG Shao-feng, ZOU You-kun

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000）

0 引言

近期，公司在研某型SUV在試驗場進行可靠性試驗過程中，發(fā)生后轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂（如圖1所示），具體原因不詳。轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的原因很多，包括駕駛者操作不當、結(jié)構(gòu)設計不合理、材料強度不夠、鑄造缺陷、熱處理缺陷和綜合因素等[1]。

圖1 后轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂圖

作為車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零部件之一，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)失效斷裂的發(fā)生，往往會給客戶帶來巨大的人身傷害和財產(chǎn)損失。車輛在行駛過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)不僅要承受來自于車身的載荷和路面的沖擊力，而且還要傳遞轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向力實現(xiàn)對汽車行使方向的控制，因此在結(jié)構(gòu)強度，抗沖擊性和疲勞強度方面都有著很高的要求。

1 后轉(zhuǎn)向節(jié)模型建立及有限元分析

1.1 轉(zhuǎn)向節(jié)模型建立

該型SUV后轉(zhuǎn)向節(jié)的材料為鑄鋁，屈服強度220MPa；抗拉強度295MPa；延伸率5%[2]。借助于CATIA軟件完成建模，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中特征包括轉(zhuǎn)向節(jié)與上橫臂拉桿連接孔1個、轉(zhuǎn)向節(jié)與輪轂總成連接孔4個、轉(zhuǎn)向節(jié)與后制動鉗連接孔2個、轉(zhuǎn)向節(jié)與制動器連接孔2個、轉(zhuǎn)向節(jié)與下擺臂連接孔2個等。

1.2 優(yōu)化前有限元分析

將模型導入Hypermesh中，采用實體單元TERTA4進行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，應用Hyperview對轉(zhuǎn)向節(jié)模型施加制動工況載荷進行分析[3]。后轉(zhuǎn)向節(jié)的應力云圖如圖3所示，圖3(a)危險點最大應力為113MPa，圖3(b)危險點最大應力為73.4MPa，從分析結(jié)果中可以看出轉(zhuǎn)向節(jié)的輪轂安裝孔處有帶狀應力分布，結(jié)構(gòu)設計存在斷裂的風險，需針對這些位置進行優(yōu)化。

圖2 后轉(zhuǎn)向節(jié)模型圖

圖3 后轉(zhuǎn)向節(jié)應力圖

1.3 優(yōu)化后有限元分析

根據(jù)優(yōu)化前后轉(zhuǎn)向節(jié)CAE分析結(jié)果，依據(jù)企標《拓撲、形貌優(yōu)化分析方法》，經(jīng)過拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化，最終得到比較合理的改進方案，具體措施：A區(qū)域增加壁厚；B區(qū)域加大過渡圓角，對比示意圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對比示意圖

圖5 后轉(zhuǎn)向節(jié)應力圖

按照優(yōu)化前分析步驟，對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進行相同工況的有限元分析，所得應力云圖如圖5所示，沒有出現(xiàn)帶狀應力分布，優(yōu)化效果明顯。圖5(a)危險點最大應力為102MPa，與圖3(a)相比降低了11MPa，約降低9.7%；圖5(b)危險點最大應力為59.2MPa與圖3(b)相比降低了14.2MPa，約降低30%。

1.4 結(jié)果對比

將優(yōu)化前后模型在ABQUAS中進行六工況仿真分析對比，各工況在優(yōu)化后改進效果顯著。改進前后的分析結(jié)果對比明細表如表1所示，其中應力結(jié)果為上示圖中紅色圓圈區(qū)域，單位為MPa，變化幅度單位MPa，“+”代表應力增加，“-”代表應力減小。

表1 改進前后的分析結(jié)果對比

2 轉(zhuǎn)向節(jié)載荷譜分析

結(jié)合有限元分析結(jié)果，對優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向節(jié)樣件完成應變片粘貼處理，共選取8個位置點（如圖6所示）。將轉(zhuǎn)向節(jié)樣件安裝于整車上，依據(jù)表2（數(shù)據(jù)采集明細表）要求車速在試驗場進行搓板路、短波路、國情路、坑洼路、卵石路、扭曲路、凸塊路、圓餅路、魚鱗坑、比利時甲、比利時乙、比利時丙和蛇形坡等路況的載荷譜采集[4]。

圖6 應變片粘貼位置圖

表2 數(shù)據(jù)采集明細表

借助于Ncode Glyphworks數(shù)據(jù)處理軟件，進行各通道載荷譜數(shù)據(jù)的預處理和最大應力值提取，圖7為各通道不同路況應力最大值。從圖中可以看出，2號通道在各路況中應力值均最大，其中圓餅路達到極值86.9MPa，且遠小于材料屈服強度。

依據(jù)企標《SUV車型結(jié)構(gòu)耐久試驗方法》在試驗場完成6000公里耐久試驗，經(jīng)檢查后轉(zhuǎn)向節(jié)沒有出現(xiàn)裂紋，證明了優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性。

圖7 各通道不同路況應力值

3 結(jié)束語

針對某型SUV后轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的問題，在原有三維模型的基礎上，運用Hyperworks軟件進行優(yōu)化前后模型的有限元分析，同時對優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)在試驗場對不同路況進行載荷譜采集，借助于數(shù)據(jù)處理軟件Glyphworks，計算出各通道最大應力值，結(jié)合耐久試驗后檢查結(jié)果，證明優(yōu)化使轉(zhuǎn)向節(jié)達到使用要求。

[1]宮偉建.拖拉機轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂原因分析[J].農(nóng)民致富之友,2009:38-38.

[2]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].3版.北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[3]袁旦.汽車轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析與優(yōu)化設計[D].浙江工業(yè)大學,2010.

[4]E.Y.Kuo,W.Loh,R.G.Muley.CAE Process for Global Durability Analysis in Support of Up-Front Design[C].SAE Paper950576.