利用有限元技術(shù)優(yōu)化支架設(shè)計(jì)并應(yīng)用

關(guān)炳奇

諸城市義和車橋有限公司 山東諸城 262200

1 序言

某汽車廠研發(fā)的一款純電動(dòng)微型轎車，后橋?yàn)橥弦繁凼桨氇?dú)立懸架，在樣車路試階段，汽車制動(dòng)時(shí)后輪存在異響、抖動(dòng)等問題，急需解決。

2 原因分析

汽車廠開發(fā)的后橋總成如圖1所示。經(jīng)認(rèn)真檢查分析，在排除了輪轂、制動(dòng)盤及鉗體總成的原因后，我們認(rèn)為制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生異響、抖動(dòng)，可能有兩個(gè)原因：一是鉗體總成安裝支架（見圖2，以下簡(jiǎn)稱支架）的剛度不夠，制動(dòng)時(shí)支架變形；二是支架的兩耳面不在同一平面上，平行度超差。這些原因造成鉗體總成安裝后，制動(dòng)塊與制動(dòng)盤不平行，從而導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)、異響。支架的平行度經(jīng)過測(cè)量為0.25mm，確實(shí)超差比較嚴(yán)重。針對(duì)支架的剛度變形量，我們采用有限元技術(shù)分析剛性變形量的大小。

圖1 后橋總成

圖2 安裝支架

3 有限元CAE分析

支架由6.5mm厚的Q235鋼板彎曲而成，屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)。首先利用有限元CAE技術(shù)對(duì)支架進(jìn)行受力分析，支架用材料屬性見表1。

表1 支架用材料屬性

有限元CAE分析的主要步驟為：①對(duì)支架數(shù)模指派材料為Q235。②劃分網(wǎng)格，本零件劃分網(wǎng)格類型為CTETRA(10)，單元大小為2.5mm，如圖3所示。③添加邊界條件，約束及載荷。④利用Nastran求解器進(jìn)行計(jì)算，查看位移大小，最大變形位移量為0.1069mm，支架的彈性變形量嚴(yán)重超差，如圖4所示。

圖3 劃分網(wǎng)格

圖4 位移量計(jì)算結(jié)果

4 產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決支架彈性變形較大的問題，必須增加支架的剛度，剛開始提出的方法是在支架兩邊各焊接一個(gè)加強(qiáng)板，如圖5所示。經(jīng)有限元受力分析，剛度變形最大位移量為0.0856mm，效果并不明顯，問題沒有得到有效解決，此方法行不通。

圖5 焊接加強(qiáng)板示意

根據(jù)以上探索及分析，要想解決根本問題，必須重新設(shè)計(jì)支架來滿足要求。第一，重新設(shè)計(jì)支架外形，結(jié)合后橋總成的空間要求，給支架的外輪廓加上翻邊，增加其整體剛度。第二，增加材料的厚度，但厚度不能無限制增加，要考慮到產(chǎn)品要求、工藝要求以及成本等因素。經(jīng)過綜合考慮，將支架的材料厚度增加到8mm。通過增加厚度及在安裝鉗體總成的兩耳面以外增加翻邊，完成對(duì)支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的支架如圖6所示，根據(jù)相應(yīng)邊界條件進(jìn)行有限元分析，新支架剛度變形最大位移量為0.0179mm，支架的剛度有了很大提高，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，位移量計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后的支架

圖7 新支架位移量計(jì)算結(jié)果

5 工藝分析

后橋總成實(shí)物如圖8所示。優(yōu)化后支架的成形工藝相較于老支架更復(fù)雜一些。新支架材料仍為Q235，材料厚度為8mm，屬于中厚板成形，外形為半腰形，帶翻邊及臺(tái)階。工件成形時(shí)存在較大的成形側(cè)向力作用，會(huì)造成材料跑料，且兩耳面幾何公差要求嚴(yán)格，成形有一定難度。

通過對(duì)零件進(jìn)行仔細(xì)分析，為了解決上述工藝問題，采用以下措施：①兩耳為鉗體總成的安裝面，要求在同一平面內(nèi)，平行度與平面度綜合公差為0.05mm，要通過模具上下模整形，使兩耳處材料變薄，以保證兩耳的平行度及平面度。②為了抵消零件成形時(shí)的側(cè)向力，從根源上消除材料跑料，需要在半圓中心處沖一預(yù)孔。預(yù)孔的選擇非常重要，預(yù)孔太大，則工件的壁厚變小，由于成形時(shí)側(cè)向力的作用，孔將變形；預(yù)孔太小，則承受不住側(cè)向力，會(huì)將定位銷拉斷。根據(jù)理論計(jì)算，選取φ20mm定位銷。結(jié)合本廠設(shè)備情況，最終確定支架的工藝方案為：剪條料→落料、沖預(yù)孔復(fù)合模→翻邊成形→沖孔，共4道工序。

圖8 后橋總成實(shí)物

6 結(jié)束語

雖然新支架的生產(chǎn)成本比老支架有所增加，但產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，考慮用戶及三包要求，實(shí)際成本降低。現(xiàn)在，該后橋產(chǎn)品已經(jīng)批量供貨。3年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，支架的改進(jìn)非常合理，制動(dòng)異響及抖動(dòng)故障基本消除，零件質(zhì)量穩(wěn)定可靠，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為今后類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及工藝分析提供了思路和借鑒。