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轉(zhuǎn)向機沖擊強度分析
2021-08-16 23:43:03· 來源：上汽安全與CAE技術(shù)
汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)是汽車底盤系統(tǒng)中的關(guān)鍵機構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各個零件的結(jié)構(gòu)強度影響著汽車轉(zhuǎn)向功能的可靠性。作為汽車底盤系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，若轉(zhuǎn)向機殼體出現(xiàn)斷裂
汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)是汽車底盤系統(tǒng)中的關(guān)鍵機構(gòu)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各個零件的結(jié)構(gòu)強度影響著汽車轉(zhuǎn)向功能的可靠性。
作為汽車底盤系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，若轉(zhuǎn)向機殼體出現(xiàn)斷裂失效，將會造成駕駛員及乘客出現(xiàn)巨大的人身安全及財產(chǎn)損失。當(dāng)路面對汽車車輪的沖擊力過大時，以輪胎側(cè)向撞擊路沿為例(如下圖1所示)，沖擊載荷通過轉(zhuǎn)向拉桿傳遞到轉(zhuǎn)向機殼體，若殼體抗沖擊能力不足，就會存在殼體斷裂失效風(fēng)險。在轉(zhuǎn)向機殼體設(shè)計階段，分析殼體沖擊強度性能，使其滿足強度設(shè)計要求，可有效避免汽車在使用中產(chǎn)生轉(zhuǎn)向機殼體開裂現(xiàn)象。
圖1 車輪撞擊路沿
目前業(yè)界比較主流的沖擊強度測試方法包括：簡支梁沖擊，懸臂梁沖擊和落球（或落錘）沖擊。前兩種方法主要用來判斷材料本身在沖擊性能方面的好壞，落球（或落錘）沖擊則反映的是產(chǎn)品本身的抗沖擊性能（產(chǎn)品抗沖擊能力由材質(zhì)、厚度、結(jié)構(gòu)等多種因素決定）。落球（或落錘）沖擊測試是將樣件固定在臺架上，用特定形狀和重量的球或錘，從一定高度自由落下對樣品進行沖擊，通過改變球或錘的重量或落下高度以及若干數(shù)量的樣件，進行多次試驗，從而定性或者定量得出樣件抗沖擊能力。轉(zhuǎn)向機沖擊強度臺架試驗即采用的是落錘沖擊測試方法來考核轉(zhuǎn)向機的抗沖擊能力，如下圖2所示。
圖2 轉(zhuǎn)向機落錘沖擊測試方法
雖然轉(zhuǎn)向機在沖擊載荷下，材料強度極限比靜載下有所提升，但對材料缺口的敏感性卻比在靜載荷下較為敏感，所以傳統(tǒng)的靜強度分析已不能準(zhǔn)確的反映殼體的抗沖擊能力。目前大多數(shù)顯式非線性有限元計算軟件，都能較為精確的模擬高速載荷下物體的抗沖擊性能。因此，本文搭建了轉(zhuǎn)向機沖擊強度測試虛擬臺架有限元模型，然后采用非線性計算方法進行轉(zhuǎn)向機殼體強度計算，最終準(zhǔn)確預(yù)測轉(zhuǎn)向機殼體沖擊強度性能。
如下圖3所示，整個有限元模型包括轉(zhuǎn)向機殼體，轉(zhuǎn)向機齒輪及齒條，連接螺栓，固定臺架。同時考慮連接轉(zhuǎn)向管柱和方向盤轉(zhuǎn)動慣量的影響，在齒輪頂部配一質(zhì)量塊，模擬轉(zhuǎn)向管柱和方向盤的轉(zhuǎn)動慣量。齒輪和齒條通過齒牙接觸進行連接，齒輪、齒條和轉(zhuǎn)向機殼體之間通過連接副進行連接，包括鉸鏈副和圓筒副。轉(zhuǎn)向機殼體、固定螺栓、固定臺架接觸面綁定，然后給予撞塊一定速度撞擊轉(zhuǎn)機齒條一側(cè)。
圖3 轉(zhuǎn)向機沖擊強度測試虛擬臺架有限元模型
計算結(jié)果如下圖4所示，安裝點加強筋末端位置等效塑性應(yīng)變?yōu)?%，超過應(yīng)變目標(biāo)值，轉(zhuǎn)向機抗沖擊性能不合格。優(yōu)化方案為優(yōu)化加強筋尺寸并增加加強筋數(shù)量，優(yōu)化后仿真結(jié)果表明等效塑性應(yīng)變已降為2%，小于應(yīng)變目標(biāo)值。
圖4 轉(zhuǎn)向機沖擊強度測試仿真結(jié)果
作為汽車底盤系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，若轉(zhuǎn)向機殼體出現(xiàn)斷裂失效，將會造成駕駛員及乘客出現(xiàn)巨大的人身安全及財產(chǎn)損失。當(dāng)路面對汽車車輪的沖擊力過大時，以輪胎側(cè)向撞擊路沿為例(如下圖1所示)，沖擊載荷通過轉(zhuǎn)向拉桿傳遞到轉(zhuǎn)向機殼體，若殼體抗沖擊能力不足，就會存在殼體斷裂失效風(fēng)險。在轉(zhuǎn)向機殼體設(shè)計階段，分析殼體沖擊強度性能，使其滿足強度設(shè)計要求，可有效避免汽車在使用中產(chǎn)生轉(zhuǎn)向機殼體開裂現(xiàn)象。
圖1 車輪撞擊路沿
目前業(yè)界比較主流的沖擊強度測試方法包括：簡支梁沖擊，懸臂梁沖擊和落球（或落錘）沖擊。前兩種方法主要用來判斷材料本身在沖擊性能方面的好壞，落球（或落錘）沖擊則反映的是產(chǎn)品本身的抗沖擊性能（產(chǎn)品抗沖擊能力由材質(zhì)、厚度、結(jié)構(gòu)等多種因素決定）。落球（或落錘）沖擊測試是將樣件固定在臺架上，用特定形狀和重量的球或錘，從一定高度自由落下對樣品進行沖擊，通過改變球或錘的重量或落下高度以及若干數(shù)量的樣件，進行多次試驗，從而定性或者定量得出樣件抗沖擊能力。轉(zhuǎn)向機沖擊強度臺架試驗即采用的是落錘沖擊測試方法來考核轉(zhuǎn)向機的抗沖擊能力，如下圖2所示。
圖2 轉(zhuǎn)向機落錘沖擊測試方法
雖然轉(zhuǎn)向機在沖擊載荷下，材料強度極限比靜載下有所提升，但對材料缺口的敏感性卻比在靜載荷下較為敏感，所以傳統(tǒng)的靜強度分析已不能準(zhǔn)確的反映殼體的抗沖擊能力。目前大多數(shù)顯式非線性有限元計算軟件，都能較為精確的模擬高速載荷下物體的抗沖擊性能。因此，本文搭建了轉(zhuǎn)向機沖擊強度測試虛擬臺架有限元模型，然后采用非線性計算方法進行轉(zhuǎn)向機殼體強度計算，最終準(zhǔn)確預(yù)測轉(zhuǎn)向機殼體沖擊強度性能。
如下圖3所示，整個有限元模型包括轉(zhuǎn)向機殼體，轉(zhuǎn)向機齒輪及齒條，連接螺栓，固定臺架。同時考慮連接轉(zhuǎn)向管柱和方向盤轉(zhuǎn)動慣量的影響，在齒輪頂部配一質(zhì)量塊，模擬轉(zhuǎn)向管柱和方向盤的轉(zhuǎn)動慣量。齒輪和齒條通過齒牙接觸進行連接，齒輪、齒條和轉(zhuǎn)向機殼體之間通過連接副進行連接，包括鉸鏈副和圓筒副。轉(zhuǎn)向機殼體、固定螺栓、固定臺架接觸面綁定，然后給予撞塊一定速度撞擊轉(zhuǎn)機齒條一側(cè)。
圖3 轉(zhuǎn)向機沖擊強度測試虛擬臺架有限元模型
計算結(jié)果如下圖4所示，安裝點加強筋末端位置等效塑性應(yīng)變?yōu)?%，超過應(yīng)變目標(biāo)值，轉(zhuǎn)向機抗沖擊性能不合格。優(yōu)化方案為優(yōu)化加強筋尺寸并增加加強筋數(shù)量，優(yōu)化后仿真結(jié)果表明等效塑性應(yīng)變已降為2%，小于應(yīng)變目標(biāo)值。
圖4 轉(zhuǎn)向機沖擊強度測試仿真結(jié)果
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