□ 李春芳 □ 曹鵬飛 □ 趙 文 □ 馬 娜

1.陜西通家汽車(chē)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院 西安 710018

2.西安航天自動(dòng)化股份有限公司 西安 710065

3.麥克傳感器股份有限公司 陜西寶雞 721006

1 研究背景

汽車(chē)前橋主要由軸管、前梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿等組成，起到連接車(chē)輪與車(chē)身的作用［1］。轉(zhuǎn)向節(jié)臂是前橋的關(guān)鍵零件之一，主要作用是傳遞轉(zhuǎn)向力。轉(zhuǎn)向節(jié)臂失效將會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)無(wú)法轉(zhuǎn)向，從而造成嚴(yán)重的事故，進(jìn)一步威脅駕駛員及乘員的生命安全。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂強(qiáng)度與疲勞耐久性進(jìn)行分析，對(duì)于保障汽車(chē)安全行駛和人們的生命安全有非常重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于轉(zhuǎn)向節(jié)臂的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：①通過(guò)理論計(jì)算與有限元分析相結(jié)合，研究轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度，驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性［2］；②應(yīng)用加工工藝、熱處理方法［3］和有限元分析軟件［3-8］，研究轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度、疲勞耐久和失效，提出優(yōu)化方向，提高轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度和疲勞耐久性能。

文獻(xiàn)［9-12］探討了不同模型邊界簡(jiǎn)化方法、詳細(xì)建模方法在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。筆者通過(guò)研究不同建模方法、不同邊界條件對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂強(qiáng)度和疲勞損傷的影響，提出與臺(tái)架試驗(yàn)邊界條件保持一致的簡(jiǎn)化建模法。簡(jiǎn)化建模法適用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度和疲勞耐久仿真分析，能為企業(yè)帶來(lái)效益。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂計(jì)算

2.1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩

汽車(chē)在瀝青或混凝土路面上，原地轉(zhuǎn)向阻力矩采用下述經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算［2］：

式中：Mr為轉(zhuǎn)向阻力矩；f為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，f=0.7；G1為滿載前軸軸荷；M1為滿載前軸質(zhì)量；p為輪胎氣壓，p=0.3 MPa。

2.2 載荷

作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心的力Fn1的計(jì)算式為：

式中：L1為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心到主銷(xiāo)的力臂；ηT為梯形機(jī)構(gòu)正效率，ηT=80%。

3 有限元模型

3.1 詳細(xì)建模法

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂詳細(xì)建模法有限元模型如圖1所示。網(wǎng)格均用一階四面體Solid單元，共有86 669個(gè)單元、142 713個(gè)節(jié)點(diǎn)。零件之間的連接用接觸對(duì)模擬，可以提高網(wǎng)格質(zhì)量和求解精度。為了使計(jì)算收斂，在建模過(guò)程中，每個(gè)接觸對(duì)與相關(guān)零件網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)要求一一對(duì)應(yīng)。

▲圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂詳細(xì)建模法有限元模型

3.2 簡(jiǎn)化建模法

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂簡(jiǎn)化建模法有限元模型如圖2所示。網(wǎng)格均用一階四面體Solid單元，共有38 987個(gè)單元、65 763個(gè)節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)螺紋連接處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)要求一一對(duì)應(yīng)。

▲圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂簡(jiǎn)化建模法有限元模型

3.3 材料參數(shù)

轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料為42CrMo，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 42CrMo材料參數(shù)

4 強(qiáng)度分析條件

4.1 加載力

某車(chē)型相關(guān)參數(shù)如下：M1=1 116 kg，L1=160 mm。由式（1）～式（3）可知，原地轉(zhuǎn)向時(shí)作用在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心的力Fn1為7 613.3 N。

4.2 邊界條件1

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂強(qiáng)度分析時(shí)邊界條件1如圖3所示。在前梁一端全約束，在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車(chē)前進(jìn)方向的力F。

▲圖3 強(qiáng)度分析邊界條件1

4.3 邊界條件2

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂強(qiáng)度分析時(shí)邊界條件2如圖4所示。在轉(zhuǎn)向節(jié)一端全約束，在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車(chē)前進(jìn)方向的力F。

▲圖4 強(qiáng)度分析邊界條件2

5 疲勞耐久分析條件

5.1 邊界條件1

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久分析時(shí)邊界條件1如圖5所示。在前梁一端全約束，工況1為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車(chē)前進(jìn)方向的力F，工況2為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車(chē)制動(dòng)方向的力F。

5.2 邊界條件2

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久分析時(shí)邊界條件2如圖6所示。在轉(zhuǎn)向節(jié)一端全約束，工況1為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車(chē)前進(jìn)方向的力F，工況2為在轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸中心處加載汽車(chē)制動(dòng)方向的力F。

簡(jiǎn)化建模法疲勞耐久分析邊界條件與轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久試驗(yàn)方法［13］是一致的，如圖7所示。

▲圖5 疲勞耐久分析邊界條件1

▲圖6 疲勞耐久分析邊界條件2

▲圖7 轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞耐久試驗(yàn)

5.3 輸入?yún)?shù)

將邊界條件1和邊界條件2的靜強(qiáng)度文件輸入到疲勞耐久分析軟件中，用應(yīng)力應(yīng)變方法預(yù)測(cè)疲勞壽命，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)位置。在疲勞耐久分析軟件中，輸入轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料42CrMo的相關(guān)參數(shù)，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖8所示。

轉(zhuǎn)向工況下的時(shí)間歷程曲線如圖9所示。

▲圖8 42CrMo材料應(yīng)力應(yīng)變曲線

▲圖9 轉(zhuǎn)向工況下時(shí)間歷程曲線

6 強(qiáng)度分析結(jié)果

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖10可知，詳細(xì)建模法和簡(jiǎn)化建模法最大應(yīng)力值均產(chǎn)生在轉(zhuǎn)向節(jié)臂螺紋連接根部，此處為最大風(fēng)險(xiǎn)位置。

▲圖10 轉(zhuǎn)向節(jié)臂強(qiáng)度分析應(yīng)力云圖

7 疲勞壽命分析結(jié)果

某車(chē)型轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞損傷云圖如圖11所示。由圖11可知，詳細(xì)建模法和簡(jiǎn)化建模法最大損傷值均產(chǎn)生在轉(zhuǎn)向節(jié)臂螺紋連接根部，此處為最大風(fēng)險(xiǎn)位置。

8 結(jié)果對(duì)比

對(duì)詳細(xì)建模法和簡(jiǎn)化建模法分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 分析結(jié)果對(duì)比

▲圖11 轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞損傷云圖

由表2可知，簡(jiǎn)化建模法相比詳細(xì)建模法，最大應(yīng)力值減小了2.64%，最大損傷值減小了9.97%。

9 結(jié)論

經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)及綜合道路試驗(yàn)，用簡(jiǎn)化建模法驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。簡(jiǎn)化建模法在汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)臂技術(shù)開(kāi)發(fā)中已得到成功的應(yīng)用。產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)中，簡(jiǎn)化是一種原則或方法。簡(jiǎn)化建模法是對(duì)詳細(xì)建模法的簡(jiǎn)化，顯然能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

簡(jiǎn)化建模法應(yīng)用過(guò)程中，零件邊界條件必須與臺(tái)架試驗(yàn)邊界條件保持一致，這是簡(jiǎn)化建模法應(yīng)用成功的必要條件。

試驗(yàn)表明，簡(jiǎn)化建模法所得出的最大應(yīng)力和最大疲勞損傷值與詳細(xì)建模法所得出的結(jié)果相比有所減小，而且兩者揭示的風(fēng)險(xiǎn)位置相同，這說(shuō)明簡(jiǎn)化建模法是有效、可行的。

基于簡(jiǎn)化建模法成功開(kāi)發(fā)某型汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)臂，如果能將流程形成技術(shù)規(guī)范，那么將對(duì)其它汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的技術(shù)開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)作用，對(duì)其它機(jī)械零部件的技術(shù)開(kāi)發(fā)也具有參考意義。