【汽車研發(fā)技術(shù)帖】某汽車前軸輕量化及有限元分析
【技術(shù)帖】某汽車前軸輕量化及有限元分析
[摘要]汽車輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,實(shí)現(xiàn)前軸輕量化對(duì)于優(yōu)化整車性能、降低燃油消耗和污染物排放,具有明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值。前軸是底盤系統(tǒng)中的重要部件,直接關(guān)系著整車安全性和操作穩(wěn)定性,其對(duì)力學(xué)性能和制造精度要求極高。為了制造高性能輕量化汽車前軸,對(duì)其成形工藝的研究必不可少。
針對(duì)某輕量化前軸產(chǎn)品進(jìn)行研究,對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析,驗(yàn)證其是否滿足使用要求。輕量化汽車前軸對(duì)其成形工藝提出了更高的要求,工字梁部分壁厚變化大,輕量化汽車前軸成形難度增大。因此,精確制造輕量化汽車前軸,需要研究工藝參數(shù)對(duì)輥鍛成形的影響規(guī)律以及鍛件成形過程中微觀組織變化情況。
輕量化汽車前軸的精確制造離不開合適的成形工藝參數(shù)的選取。建立有限元模型,對(duì)第1道次輥鍛成形進(jìn)行有限元模擬,與實(shí)際鍛件進(jìn)行尺寸對(duì)比,驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性。研究四個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)(坯料初始溫度、輥鍛機(jī)轉(zhuǎn)速、摩擦因子、模具板簧座截面圓角值)對(duì)汽車前軸輥鍛第1道次成形的影響規(guī)律。通過正交試驗(yàn)研究各工藝參數(shù)對(duì)第1道次最大成形載荷的影響程度,選取輕量化汽車前軸成形工藝參數(shù)。
為研究汽車前軸輕量化方案以達(dá)到輕量化的目的，首先利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)汽車前軸在制動(dòng)工況及動(dòng)載工況下的受力進(jìn)行分析，得出前軸應(yīng)力分布情況。其次，根據(jù)應(yīng)力分布情況對(duì)汽車前軸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。最后對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行上述兩種工況的有限元分析，并對(duì)優(yōu)化前后前軸應(yīng)力及重量進(jìn)行對(duì)比，確定最終輕量化方案。
0 引言
前軸是汽車的主要承載件之一，由于在汽車行駛中，來自路面的反作用力、沖擊力、制動(dòng)力矩等各種載荷經(jīng)車輪、前軸等傳到車體，因此要求前軸應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動(dòng)態(tài)特性[1-3]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車貨運(yùn)量加大，在提高運(yùn)輸安全性的同時(shí)，通過降低車身質(zhì)量而達(dá)到節(jié)能減排是目前設(shè)計(jì)人員的一大課題。汽車前軸是汽車的主要承載構(gòu)件之一，因此對(duì)前軸進(jìn)行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化也迫在眉睫[4]。為研究某汽車工字梁前軸輕量化方案，本文首先運(yùn)用有限元分析軟件Workbench 對(duì)前軸在制動(dòng)工況及動(dòng)載工況下的受力進(jìn)行了分析，得出其應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)力分布對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最后對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行有限元分析，并對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行對(duì)比。
1 汽車前軸有限元靜力分析
1.1 實(shí)體建模
本文對(duì)前軸進(jìn)行制動(dòng)工況、2.5 倍動(dòng)載工況下強(qiáng)度分析，前橋額定載荷為2 200 kg，輪距1 715 mm，輪輞安裝端面距1 958 mm。
用三維建模軟件繪制前橋相關(guān)零部件的三維模型并進(jìn)行裝配，便于施加邊界條件。制動(dòng)工況跟動(dòng)載工況的三維模型有所區(qū)別。制動(dòng)工況三維模型主要包括前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)銷、前輪轂、板簧輔助支撐等，動(dòng)載工況三維模型主要包括前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)銷、推力軸承和輔助支撐座等。由于前軸曲面及變截面較多，要求三維模型盡量接近實(shí)體模型。三維模型要按照1:1 的比例建立，如圖1 所示。
(a)制動(dòng)工況 (b)動(dòng)載工況
圖1 前橋三維模型
1.2 材料設(shè)置
前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向主銷材料為40Cr，密度7 870 kg/m3，彈性模量211 GPa，泊松比0.277，屈服強(qiáng)度785 MPa[5];其余材料為結(jié)構(gòu)鋼，密度7 850 kg/m3，彈性模量200 GPa，泊松比0.3。
1.3 接觸設(shè)置
根據(jù)前橋零部件接觸的實(shí)際情況，包括前軸和轉(zhuǎn)向節(jié)銷、轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向節(jié)銷、轉(zhuǎn)向節(jié)銷和推力軸承等的接觸關(guān)系都定義為綁定。
1.4 網(wǎng)格劃分
由于零部件曲面較多，采用自動(dòng)樣式劃分網(wǎng)格，前軸網(wǎng)格大小為8 mm，其余零部件網(wǎng)格大小為10 mm。網(wǎng)格如圖2 所示。
(a)制動(dòng)工況 (b)動(dòng)載工況
圖2 前橋有限元模型
1.5 邊界條件及載荷設(shè)置
1.5.1 制動(dòng)工況下
約束：在板簧輔助支撐處添加線位移約束，一端固定，一端放開橫向位移約束。載荷：在輪胎著地點(diǎn)處添加遠(yuǎn)程力，力的大小為17 959 N，作應(yīng)面為左右輪轂螺栓孔處。
1.5.2 動(dòng)載工況下
約束：在輔助支撐處添加線位移約束，一端固定，另一端放開橫向位移約束。載荷：按2.5倍載荷在板簧托面分別添加垂直向下的力，大小為27 500 N。
約束及載荷設(shè)置如圖3 所示。
(a)制動(dòng)工況 (b)動(dòng)載工況
圖3 約束及載荷
1.6 分析結(jié)果
前軸制動(dòng)工況、2.5 倍動(dòng)載工況分析結(jié)果如圖4 所示。
從圖4 可以看出，前軸制動(dòng)工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在板簧托外側(cè)上方，值為426.79 MPa，安全系數(shù)1.84;動(dòng)載工況最大應(yīng)力出現(xiàn)在板簧托內(nèi)側(cè)下方，值為405.09 MPa，安全系數(shù)1.94。
(a)制動(dòng)工況 (b)動(dòng)載工況
圖4 前軸Von-Mises 應(yīng)力
2 汽車前軸輕量化
2.1 汽車前軸輕量化方案
從圖4 可以看出，前軸除去最大應(yīng)力位置外，中間工字梁及板簧托處應(yīng)力都較小。并且，根據(jù)文獻(xiàn)[6]所述，對(duì)于一般的汽車零部件屈服失效安全系數(shù)要大于等于1.5，所以此前軸具有一定的降重空間。
綜合考慮前軸制造工藝、整車裝配空間等因素，對(duì)前軸中間工字梁截面、板簧托截面進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，經(jīng)過多次修正，形成方案1—方案3，獲得最優(yōu)截面。
中間工字梁截面及板簧托截面尺寸圖見圖5，具體截面尺寸見表1。
(a)中間工字梁截面 (b)板簧托截面
圖5 前軸截面尺寸
表1 截面尺寸
2.2 輕量化汽車前軸有限元靜力分析
以方案3 分析結(jié)果為例，前軸優(yōu)化后的分析結(jié)果如圖6 所示。
將初始方案以及方案1—方案3制動(dòng)工況、2.5倍動(dòng)載工況分析結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。
表2 分析結(jié)果對(duì)比
(a)制動(dòng)工況 (b)動(dòng)載工況
圖6 前軸Von-Mises 應(yīng)力
對(duì)比以上所有方案，通過對(duì)工字梁截面、板簧托截面優(yōu)化，方案3 與初始方案相比，前軸實(shí)現(xiàn)降重4.0 kg。制動(dòng)工況最大應(yīng)力502.86 MPa，安全系數(shù)1.56;動(dòng)載工況最大應(yīng)力382.88 MPa，安全系數(shù)2.05，并且動(dòng)載工況安全系數(shù)要高于初始方案，可以滿足強(qiáng)度要求。
3 結(jié)論
本文通過對(duì)某汽車工字梁前軸在制動(dòng)工況及動(dòng)載工況及下的受力進(jìn)行分析，得出其應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)力分布對(duì)中間工字梁截面及板簧托截面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行有限元分析確定其應(yīng)力分布情況，得出前軸在降重4.0 kg 的基礎(chǔ)上仍然能夠滿足強(qiáng)度要求，可有效降低生產(chǎn)成本。
來源：期刊-《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》;作者：孔德利，馮美波，陳長(zhǎng)波，張青榮(山東省 諸城市義和車橋有限公司)
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