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某車型橫向穩(wěn)定桿強(qiáng)度與剛度研究

2018-03-20 00:53鐘彬何云峰
汽車實(shí)用技術(shù) 2018年4期
關(guān)鍵詞:襯套懸架橡膠

鐘彬,何云峰

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心,廣西 柳州 545000)

前言

橫向穩(wěn)定桿是汽車懸架中一種輔助的彈性元件,可以防止汽車在轉(zhuǎn)彎時車身發(fā)生過大側(cè)傾,在制動時防止縱傾的作用,從而保證汽車具備好的操作穩(wěn)定性和平順性[1]。同時可以恰當(dāng)調(diào)整前后懸架側(cè)傾剛度比值來改善汽車的不足轉(zhuǎn)向性能。橫向穩(wěn)定桿通常設(shè)計(jì)成U型結(jié)構(gòu),在實(shí)際設(shè)計(jì)中,為了避免與周圍部件產(chǎn)生運(yùn)動干涉,穩(wěn)定桿要設(shè)計(jì)成非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu),對于復(fù)雜幾何體的穩(wěn)定桿,傳統(tǒng)穩(wěn)定桿理論設(shè)計(jì)方法由于受到工藝、結(jié)構(gòu)、模型簡化的影響,與實(shí)際存在一定的誤差,如何快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出滿足使用要求的穩(wěn)定桿是擺在工程師面前的難題,穩(wěn)定桿在設(shè)計(jì)的過程中要同時考慮其剛度與強(qiáng)度要求,為了克服理論設(shè)計(jì)的缺陷,近來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,有限元技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的開發(fā)應(yīng)用,為穩(wěn)定桿的剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),穩(wěn)定桿有限元模型建立的關(guān)鍵是如何處理橡膠襯套,宋健[2]等人考慮穩(wěn)定桿橡膠襯套特性對穩(wěn)定桿應(yīng)力和變形的影響,利用單軸試驗(yàn)獲得橡膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,然后采用mooney模型作為橡膠本構(gòu)模型,運(yùn)用MSC.Marc軟件分析了穩(wěn)定桿的應(yīng)力和變形;潘金坤[3]考慮將橡膠襯套當(dāng)作約束支撐,運(yùn)用abqus軟件分析了穩(wěn)定桿的應(yīng)力;周宏鐘[4]將穩(wěn)定桿橡膠襯套看作具有六個有剛度的單元,將其應(yīng)用在某車型的橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)分析中。綜上所述,穩(wěn)定桿有限元模型主要演變成三種類型,Ⅰ類在分析過程中不考慮橡膠襯套的剛度,將橡膠襯套考慮成約束支撐,在穩(wěn)定桿兩端添加載荷,Ⅱ類考慮橡膠襯套特性的影響,在穩(wěn)定桿模型中添加橡膠本構(gòu)模型,依照橡膠襯套與穩(wěn)定桿的配合類型分為滑動式襯套和抱緊式襯套,滑動式襯套與穩(wěn)定桿是非綁定狀態(tài),穩(wěn)定桿工作時會產(chǎn)生相對的滑動接觸,抱緊式襯套與穩(wěn)定桿是綁定狀態(tài),襯套隨穩(wěn)定桿一起工作,Ⅲ類將橡膠襯套看作具有六個有剛度的單元,襯套與穩(wěn)定桿是綁定狀態(tài),本文穩(wěn)定桿安裝襯套采用的是抱緊式襯套,為了方便穩(wěn)定桿有限元模型的計(jì)算,將襯套看作具有六個方向變剛度的單元,通過測試獲得襯套六個方向的剛度。文中針對某汽車的前橫向穩(wěn)定桿的的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行分析。

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

在UG中創(chuàng)建穩(wěn)定桿的幾何模型,并將模型導(dǎo)入有限元軟件hypermesh進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分和賦材料屬性,考慮有限元的計(jì)算精度,穩(wěn)定桿采用六面體網(wǎng)格的單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,有限元模型如圖 1,穩(wěn)定桿材料使用的是彈簧鋼,彈性模量為2.06X105,泊松比為0.3。

1.2 穩(wěn)定桿約束條件與載荷的確定

約束條件和加載是取決于有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素,穩(wěn)定桿通過橡膠襯套與車身(副車架)連接,其兩端通過連桿與懸架連接,當(dāng)懸架做側(cè)傾運(yùn)動時,穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn),一端向上運(yùn)動,另一端向下運(yùn)動,當(dāng)懸架運(yùn)動到極限狀態(tài)時,穩(wěn)定桿達(dá)到最大工作極限,根據(jù)上述穩(wěn)定桿的安裝方式和運(yùn)動形式的描述,將穩(wěn)定桿與橡膠襯套的配合關(guān)系假設(shè)為過盈配合,并通過襯套單元(bushing)連接穩(wěn)定桿與車身(副車架),約束襯套單元接地端的六個方向的自由度,懸架在反向輪跳時,在穩(wěn)定桿的兩端要產(chǎn)生Z向的位移載荷,將該載荷作為校核穩(wěn)定桿強(qiáng)度的工況。

1.3 穩(wěn)定桿的強(qiáng)度分析

定義好求解穩(wěn)定桿強(qiáng)度的約束和載荷后,即可以進(jìn)行強(qiáng)度分析,如圖2穩(wěn)定桿的最大主應(yīng)力位于穩(wěn)定桿襯套安裝的位置,大小為366.5MPa,遠(yuǎn)小于穩(wěn)定桿所采用材料55Cr3的屈服強(qiáng)度1080MPa,說明該穩(wěn)定桿的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 穩(wěn)定桿的應(yīng)力云圖

1.4 穩(wěn)定桿的剛度分析

穩(wěn)定桿不僅要具備足夠的強(qiáng)度同時要有適量的剛度,才能保證汽車具有良好的行駛平順性和操作穩(wěn)定性,穩(wěn)定桿的剛度過低,汽車轉(zhuǎn)彎時會產(chǎn)生很大的側(cè)傾角,乘員缺乏舒適感和安全感,穩(wěn)定桿的剛度過高,會減弱駕駛員的路感。

分析穩(wěn)定桿剛度同樣采用有限元計(jì)算,忽略橡膠襯套變形的影響,將穩(wěn)定桿安裝位置定義為球鉸連接,穩(wěn)定桿一端加六個方向的固定約束,另一端加位移載荷,穩(wěn)定桿剛度是通過獲得位移載荷方向的支反力和位移載荷的擬合關(guān)系得到的. 如表1為某穩(wěn)定桿剛度的計(jì)算結(jié)果,如果計(jì)算出來的線剛度無法滿足設(shè)計(jì)的要求,就要修改穩(wěn)定桿的線徑或是調(diào)整穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)來滿足強(qiáng)度與剛度上的設(shè)計(jì)。

表1 穩(wěn)定桿剛度

2 結(jié)論

本文通過有限元的方法對穩(wěn)定桿的強(qiáng)度和剛度計(jì)算方法進(jìn)行了研究,可以有效提高產(chǎn)品工程師的工作效率,同時也可以縮短穩(wěn)定桿開發(fā)周期,降低產(chǎn)品的開發(fā)成本,為企業(yè)同類產(chǎn)品的開發(fā)提供理論指導(dǎo)作用。

[1] 金銀花等. 客車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與匹配[J].客車技術(shù),2013:13-16.

[2] 宋鍵.帶橡膠套的穩(wěn)定桿有限元分析[J]汽車工程,2005:592-595.

[3] 潘金坤.大客車橫向穩(wěn)定桿的虛擬疲勞分析[J]制造業(yè)自動化,2011:145-147.

[4]] 周宏鐘.基于有限元的某車型穩(wěn)定桿支架輕量化分析[J]上海汽車,2015:22-25.

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