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[轻量化客车] 商用车转向器支架断裂分析及轻量化

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发表于 2020-7-29 11:03:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】商用车转向器支架断裂分析及轻量化

刘广 周志强 李文君 王亚平 佟健宇

(东风华神汽车有限公司,十堰 442000)

【摘要】对某商用车的转向器支架断裂事件,使用Solidworks建立精确的三维数模,构建转向器、支架、垂臂有限元模型,导入Ansys中对支架做静应力分析;同时结合S-N曲线、正弦载荷谱方法对支架进行疲劳寿命分析;最后将Ansys中的结果与实际断裂情况进行对比。结果表明:断裂部位一致,支架不满足静强度要求。仿真分析和工程实际相吻合,建立零部件极限边界,做拓扑优化,并在后续开发上做验证,提供满足工况的支架结构,并提出创新式空间结构。

主题词:AnsysSolidworks 转向器支架 有限元分析 拓扑优化

1 前言

转向器支架,作为转向器的支撑件和地面转向阻力矩到车架的传递机构,其结构强度及其疲劳寿命直接影响整个转向机构的稳定性和使用寿命。对于重型商用车来说,轴荷增大,转向器支架承受的交变力矩更大,因此合理设计转向器支架,使其以尽量小的质量满足强度和使用寿命要求,将利于整车减重和提高转向机构的稳定。目前,对于重型车辆的设计分析,主要集中在车架及各大总成的匹配计算以及车架的静强度和刚度分析上,而对于小结构件的重视程度不够,因此经常会出现由于小结构件的破坏而影响整车的性能[1-3]。

针对某商用车在市场出现的转向器支架断裂问题,对转向器支架做静应力分析和疲劳分析,在Solidworks中绘制三维模型,利用Workbench插件功能导入到Ansys中,进行联合仿真,得出静应力云图和最大应力值后与实际支架断裂的位置情况对比,仿真结果与工程实际情况吻合,准确得到支架断裂的真实原因,并进一步做拓扑分析,得出最优方案,为今后的支架设计提供了科学的参考依据。

2 问题背景及CAE分析2.1 问题背景

经过售后收集用户信息后得知,此转向器支架批量在车辆工作时出现断裂,此车型改装为随车吊,且更换了新的同一款支架以后,部分车辆工作一个月不到支架依旧断裂。经过实车考察使用工况后发现,部分车辆前轴轴荷超出前期设计极限,初步判断为支架设计问题。断裂实物拍摄照片如图1所示,通过肉眼观察发现整个支架断裂口的截面较为平坦,截面呈现纤维状,没有明显的疲劳辉纹,根据其它未完全断裂支架判断断裂源在图1中的右下角处。


图1 支架断裂照片


转向器支架所受的力矩源于转向车轮的转向阻力矩,在满载工况时进行原地转向支架所受力矩最大,同时由于本车型中转向垂臂与车桥上节臂基本满足1∶1的长度关系,所以转向车轮的转向阻力矩T与转向器输出轴输出力矩关系为M≥T。


表1 公式含义及取值



将相关数据代入上式中,计算得到转向垂臂轴上的力矩为6 157.51 N·m。

2.2 断裂支架CAE校核

本支架材料使用球墨铸铁,材料特性如表2所示。

表2 球墨铸铁的力学特性参数



此支架通过3个螺栓与转向器连接,同时通过6个螺栓与车架连接,约束条此车架两端。输入6 157.51 N·m扭矩求解应力云图,如图2所示。


图2 断裂支架应力云


如图2所示,支架与转向器支架连接最上端圆角处应力最大,最大应力值为384 MPa,已经超出了QT 400-15的最大屈服应力250 MPa。在极限工况下支架会出现断裂,应力最大值处与实际支架断裂部位情况相符。

2.3 临时解决方案及CAE校核

为迅速解决用户使用问题,将断裂支架全部替换为另一款库存支架A,材质为铸钢ZG 270,主要形状差异为支架A在原断裂部位处将圆角增大,内部空腔相应加高,如图3所示为两支架形状对比。


图3 断裂支架(左侧)与支架A对比


相同工况下对支架A应力云图,如图4所示。


图4 支架A应力云


如图4所示,支架与转向器螺栓连接处应力最大为240 MPa,此处有螺纹连接孔出现应力突变为正常现象,且范围很小可以不考虑,支架左上角圆角处应力值为208 MPa,右上角圆角处应力值为201 MPa均未没有超出ZG 270-500的屈服强度270 MPa,在极限工况下支架也不会出现断裂。

应力的作用下,机械零部件的失效形式主要是疲劳和断裂,在变应力作用下,零件的主要失效形式是疲劳断裂,所以对支架做疲劳分析是非常有必要的,不仅可以更了解结构的受力疲劳情况,而且可以预防减少工程意外的发生,保护工人的人身安全[5-6]。

为进一步确保支架A断裂不再发生,对其进行疲劳分析。转向器支架在工况下工作时受到的是周期来回的力矩,设置如图5所示的交变载荷,按正弦曲线变化,为方便求解设定周期为1 s,并定义S-N曲线。


图5 疲劳分析加载力正弦曲线


求解后得出其疲劳寿命估算结果,如图6所示,得出其雨流矩阵、损伤矩阵,如图7所示。


图6 支架A寿命



图7 支架A雨流矩阵与损伤矩阵



由图6得知,疲劳危险部位分布于支架的左上角和右上角倒圆角处,在静应力最大处即支架左上角处的疲劳估算寿命为20 273次,右上角处疲劳估算寿命为26 289次,其他部分均超出1×106次。

计算不规则的载荷历程循环所使用的是雨流循环计算,根Palmgren-Miner法则,即在一个给定的平均应力和应力幅下,每次循环会消耗一定量的有效寿命,对于一个在给定的应力幅下的循环次数,随着循环次数达到失效次数时,寿命用尽,达到失效。如图7所示,(a)雨流矩阵可以把交变和平均应力从载荷历程划分成竖条信息,Z坐标表示为计数。(b)损伤矩阵所示为损伤矩阵指定实体的评定位置的损伤[7-10],Z坐标表示的是相对损伤程度,从图中可以看出最大损伤程度为3.19,它反映了所生成的每个竖条的大小在指定部件或表面临界位置的显示结果。

同时参考文献[10]中某商用车转向节臂疲劳试验中测得在原地驻车转向工况转向直拉杆载荷曲线,如图8所示,若参考其载荷周期,则可换算出支架B在原地驻车转向工况下疲劳寿命超过了80万次,符合工程标准,经过实车验证6个月后无支架断裂。


图8 驻车工况转向直拉杆载荷谱[10]



3 轻量化设计

由于支架A材料为铸钢,重量增加,为降低成本,重新进行拓扑优化,定义初始形状,将垂臂在空间中的最大摆角位置留出,设置减少材料为70%得出的拓扑结构,并非传统空腔结构,依据拓扑结构思路,设计支架B。图9所示为拓扑结构与最终优化方案,并对支架B进行静应力校核得出其应力云图,如图10所示。


图9 拓扑优化图与支架B结构



由图10得出最大应力值为170 MPa,整体强度较好。本结构为镂空环形,不影响支架拔模,可以用目前铸造工艺实现,质量由支架A的15.8 kg降低至12.7 kg,成本降低,QT400-15材质即可满足要求,实际使用过程中该支架未出现售后断裂问题与仿真结果相符。


图10 支架B应力云



4 结论

针对转向器支架断裂事件,对其构建三维数模及静应力分析,得出其最大应力值为384 MPa,超出支架材质QT 400-15的屈服强度250 MPa,无法满足其使用工况,其最大应力值处与实际断裂位置一致。

对于临时方案支架A,其最大应力值为208 MPa,对比断裂支架应力值下降176 MPa,支架强度得到明显的提升,但是铸钢件质量由13.7 kg变为15.8 kg,增加2.1 kg。对支架A做疲劳分析,设置按正弦曲线变化的交变载荷,得出其疲劳寿命,并得出其雨流矩阵和损伤矩阵。

为降低制造成本,重新拓扑结构,得出采用QT 400-15材质的支架B,同时支架B最大应力值为170 MPa,结构强度较好,质量由15.8 kg降低至12.7 kg降低3.1 kg。本次轻量化结果得出的结构为三角形加强筋内部镂空结构,传统转向器左置右输出布置形式的车辆采用的均为半空腔结构,结构设计缺陷导致其应力集中在两侧圆角处,通过本次研究为后续的转向器支架设计提供了新的三角形加强筋结构思路,为轻量化提供了可行性方法。


参考文献

[1]李亮,宋健,文凌波,等.商用车驱动桥壳疲劳寿命的有限元仿真与实验分析[J].机械强度,2008(0):159-163.

[2]冯国胜,张幽彤,刘兴华,等.汽车CAE软件系统的应用研究[J].客车技术与研究,2003,22(2):6-8.

[3]丁礼灯,杨家军,刘照,等.汽车动力转向器转向力矩的分析与计算[J].三峡大学学报(自然科学版),2001(3):243-246.

[4]吕彭民.基于频域法的结构疲劳寿命预测方法研究[J].山东交通学院学报,2006,14(3):1-5.

[5]李江,申伶,梁江波.基于HyperWorks转向器支架结构优化及改进设计[J].汽车实用技术,2016(9):49-51.

[6]蒋荟,杨晓华.实时雨流计数法的“三变程”计数原则[J].航空计算技术,2008,38(5):5-7.

[7]赵卫艳,谷雪松,王可,等.商用车转向器支架疲劳寿命仿真分析[J].长安大学学报:自然科学版,2011(1):94-98.

[8]Baek S H,Cho S S,Joo W S.Fatigue life prediction based on the rainflow cycle counting method for the end beam of a freight car bogie[J].International Journal of Automotive Technology,2008,9(1):95-101.

[9]Younesian D,Solhmirzaei A,Gachloo A.Fatigue life estimation of MD36 and MD523 bogies based on damage accumulation and random fatigue theory[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2009,23(8):2149-2156.

[10]陈军,申娟,唐春蓬,等.重型商用车转向节臂疲劳试验研究[J].汽车零部件,2015(3):24-28.

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