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【汽車研發技術帖】某汽車前軸輕量化及有限元分析
【技術帖】某汽車前軸輕量化及有限元分析
[摘要]汽車輕量化技術是實現節能減排的重要措施,在保證結構強度的前提下,實現前軸輕量化對于優化整車性能、降低燃油消耗和污染物排放,具有明顯的經濟和環保價值。前軸是底盤系統中的重要部件,直接關系著整車安全性和操作穩定性,其對力學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,對其成形工藝的研究必不可少。
針對某輕量化前軸產品進行研究,對其進行力學性能分析,驗證其是否滿足使用要求。輕量化汽車前軸對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,需要研究工藝參數對輥鍛成形的影響規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的選取。建立有限元模型,對第1道次輥鍛成形進行有限元模擬,與實際鍛件進行尺寸對比,驗證了模型準確性。研究四個關鍵工藝參數(坯料初始溫度、輥鍛機轉速、摩擦因子、模具板簧座截面圓角值)對汽車前軸輥鍛第1道次成形的影響規律。通過正交試驗研究各工藝參數對第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。
為研究汽車前軸輕量化方案以達到輕量化的目的,首先利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對汽車前軸在制動工況及動載工況下的受力進行分析,得出前軸應力分布情況。其次,根據應力分布情況對汽車前軸進行輕量化設計。最后對優化后的方案進行上述兩種工況的有限元分析,并對優化前后前軸應力及重量進行對比,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、制動力矩等各種載荷經車輪、前軸等傳到車體,因此要求前軸應具有足夠的強度、剛度和良好的動態特性[1-3]。隨著中國經濟發展,汽車貨運量加大,在提高運輸安全性的同時,通過降低車身質量而達到節能減排是目前設計人員的一大課題。汽車前軸是汽車的主要承載構件之一,因此對前軸進行力學分析和結構優化也迫在眉睫[4]。為研究某汽車工字梁前軸輕量化方案,本文首先運用有限元分析軟件Workbench 對前軸在制動工況及動載工況下的受力進行了分析,得出其應力分布情況,根據應力分布對其進行優化,最后對優化后的方案進行有限元分析,并對優化前后進行對比。
1 汽車前軸有限元靜力分析
1.1 實體建模
本文對前軸進行制動工況、2.5 倍動載工況下強度分析,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零部件的三維模型并進行裝配,便于施加邊界條件。制動工況跟動載工況的三維模型有所區別。制動工況三維模型主要包括前軸、轉向節、轉向節銷、前輪轂、板簧輔助支撐等,動載工況三維模型主要包括前軸、轉向節、轉向節銷、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)制動工況 (b)動載工況
圖1 前橋三維模型
1.2 材料設置
前軸、轉向節、轉向主銷材料為40Cr,密度7 870 kg/m3,彈性模量211 GPa,泊松比0.277,屈服強度785 MPa[5];其余材料為結構鋼,密度7 850 kg/m3,彈性模量200 GPa,泊松比0.3。
1.3 接觸設置
根據前橋零部件接觸的實際情況,包括前軸和轉向節銷、轉向節和轉向節銷、轉向節銷和推力軸承等的接觸關系都定義為綁定。
1.4 網格劃分
由于零部件曲面較多,采用自動樣式劃分網格,前軸網格大小為8 mm,其余零部件網格大小為10 mm。網格如圖2 所示。
(a)制動工況 (b)動載工況
圖2 前橋有限元模型
1.5 邊界條件及載荷設置
1.5.1 制動工況下
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:在輪胎著地點處添加遠程力,力的大小為17 959 N,作應面為左右輪轂螺栓孔處。
1.5.2 動載工況下
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。
約束及載荷設置如圖3 所示。
(a)制動工況 (b)動載工況
圖3 約束及載荷
1.6 分析結果
前軸制動工況、2.5 倍動載工況分析結果如圖4 所示。
從圖4 可以看出,前軸制動工況最大應力出現在板簧托外側上方,值為426.79 MPa,安全系數1.84;動載工況最大應力出現在板簧托內側下方,值為405.09 MPa,安全系數1.94。
(a)制動工況 (b)動載工況
圖4 前軸Von-Mises 應力
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,前軸除去最大應力位置外,中間工字梁及板簧托處應力都較小。并且,根據文獻[6]所述,對于一般的汽車零部件屈服失效安全系數要大于等于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,對前軸中間工字梁截面、板簧托截面進行優化計算,經過多次修正,形成方案1—方案3,獲得最優截面。
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 分析結果為例,前軸優化后的分析結果如圖6 所示。
將初始方案以及方案1—方案3制動工況、2.5倍動載工況分析結果匯總如表2 所示。
表2 分析結果對比
(a)制動工況 (b)動載工況
圖6 前軸Von-Mises 應力
對比以上所有方案,通過對工字梁截面、板簧托截面優化,方案3 與初始方案相比,前軸實現降重4.0 kg。制動工況最大應力502.86 MPa,安全系數1.56;動載工況最大應力382.88 MPa,安全系數2.05,并且動載工況安全系數要高于初始方案,可以滿足強度要求。
3 結論
本文通過對某汽車工字梁前軸在制動工況及動載工況及下的受力進行分析,得出其應力分布情況,根據應力分布對中間工字梁截面及板簧托截面進行輕量化設計,并對優化后的方案進行有限元分析確定其應力分布情況,得出前軸在降重4.0 kg 的基礎上仍然能夠滿足強度要求,可有效降低生產成本。
來源:期刊-《農業裝備與車輛工程》;作者:孔德利,馮美波,陳長波,張青榮(山東省 諸城市義和車橋有限公司)
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