基于ANSYS軟件的汽車轉向節輕量化設計

□ 徐 丹

江蘇聯合職業技術學院常州劉國鈞分院 江蘇常州 213025

1 設計背景

21世紀以來,汽車制造業呈現電動化、網聯化、智能化、共享化的發展趨勢。汽車輕量化是實現汽車電動化、網聯化、智能化、共享化的重要戰略舉措之一[1]。在保證汽車整體強度的前提下,減輕汽車的整體質量,可以提高汽車的動力性和主動安全性,實現節能減排的目的。根據美國鋁業協會的統計數據,汽車減輕質量10%,可以減少3.3%油耗[2],縮短制動距離5%,減小轉向力6%[3]。由此可見,對汽車零部件進行輕量化設計和研究,具有重要意義和價值。

在汽車設計中,對底盤懸架進行輕量化設計,可以在很大程度上減輕汽車質量[4]。轉向節是懸架系統中的重要組件,對轉向節進行輕量化設計,可以獲得明顯效果。由于轉向節在車輛行駛中不僅要承受汽車前部載荷,而且要帶動前輪轉動,強度、抗沖擊性、穩定性有較高的要求,因此在轉向節輕量化設計時,要考慮其機械性能是否能滿足要求[5]。李萬敏等[6]等對汽車轉向節進行建模,并對不同工況下的應力分布與靜態強度進行了分析。黃小娣[7]分析了汽車轉向節的模態特性,通過對比判斷出外界的激勵頻率遠遠小于轉向節的固有一階頻率,有效防止了共振產生。周渝等[8]分析了汽車轉向節臂結構拓撲優化模型的建立方法,得到了基于初始模型的輕量化方向,為后續輕量化設計提供了參考。筆者基于ANSYS有限元分析軟件構建汽車轉向節模型,計算不同負載條件下的應力分布,通過強度分析,圍繞轉向節材料、結構、工藝等方面開展輕量化設計。

2 有限元建模

以一款空載質量為1.6 t的運動型多功能汽車為例進行分析,將整車拆卸下的左前轉向節作為三維模型構建的目標結構。通過三坐標測量儀測量出轉向節的幾何尺寸,在Unigraphics NX軟件中重建轉向節的三維模型,再導入ANSYS軟件建立完整的數值模型。轉向節三維模型如圖1所示。

▲圖1 轉向節三維模型

轉向節選擇ANSYS軟件提供的Solid45單元進行結構建模。為了提升有限元分析的準確性,模型采用八節點四角正交網格。為避免數值模擬的求解時間過長,力求準確快速得到分析結果,需要對結構邊緣的圓角等進行修改和簡化[9]。整個轉向節模型網格化后的節點數為7 491,單元數為5 301。轉向節有限元模型如圖2所示。

▲圖2 轉向節有限元模型

3 材料屬性

轉向節材料為QT500-7球墨鑄鐵,材料參數見表1[10]。

表1 QT500-7球墨鑄鐵參數

4 負載

為了能夠反映轉向節在不同負載下的實際受力情況,準確分析轉向節結構的強度,選擇整車空載、承載兩人、承載四人、承載六人等四種負載條件進行分析。通過整車檢測,左前輪所受的負載分別為4 714.7 N、5 166.9 N、5 319.7 N、5 244.3 N。當整車承載由四人增加至六人時,由于整車后方質量增大,使前輪往上翹起,產生負載反而減輕的現象。整車負載如圖3所示。圖3中,W1、W2、W3、W4依次為地面對左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的反力,L1為前輪質心與整車質心的距離,h0為地面與整車質心的距離,L2為前后輪之間的距離。

5 應力分析結果

各種負載條件下的轉向節應力分析結果見表2,應力云圖如圖4所示。

表2 轉向節應力分析結果

▲圖3 整車負載

在四種負載條件下,轉向節的最大應力分別為188 MPa、207 MPa、211 MPa、209 MPa,均低于原始轉向節設計材料QT500-7球墨鑄鐵的屈服強度(320 MPa),說明原始轉向節設計材料擁有足夠的強度,不會產生破壞。由此,轉向節輕量化設計時可以考慮將材料與結構優化相結合。

6 輕量化設計方案

目前,汽車輕量化設計方案主要包括新結構、新材料、新工藝、新方法[11]四方面。由圖4可以發現,轉向節整體應力遠小于原設計使用的球墨鑄鐵材料屈服極限,結構強度足以應對不同的承載情況。由此,實現轉向節的輕量化,在材料選擇方面仍有可調整的空間。考慮在轉向節結構優化的基礎上,將材料改為鋁合金。轉向節結構最大應力主要分布在轉向節與轉向橫拉桿連接處,可以適當調整結構,提高強度。具體采取以下方案進行優化:① 將轉向節材料由QT500-7球墨鑄鐵改為ZL101A-T6鋁合金;② 在轉向節與轉向橫拉桿連接處肩部兩側進行補強。

按上述方案對轉向節進行模型重構,輕量化設計后的轉向節三維模型如圖5所示。模型使用Solid45八格點線性實體單元,節點自由度為三個方向的位移,構建出有限元素模型網格。輕量化設計后的轉向節有限元模型如圖6所示。模型總體結構與原始設計差別不大,但質量由原來的3.82 kg減小至1.66 kg,輕量化效果達到56.5%。ZL101A-T6鋁合金材料的參數見表3[12]。

表3 ZL101A-T6鋁合金參數

7 分析結果

輕量化設計后,轉向節在各負載條件下的應力分析結果見表4,轉向節應力云圖如圖7所示。在四種負載條件下,輕量化設計后轉向節的最大應力分別為185 MPa、203 MPa、207 MPa、205 MPa,均小于ZL101A-T6鋁合金材料的屈服強度(246 MPa)。由于輕量化設計只對轉向節部分結構位置進行補強,因此使用較少的材料即獲得了補強效果,在輕量化的同時,滿足轉向架機械強度冗余要求。筆者通過采用材料和結構優化相結合的輕量化設計方案,使轉向節滿足不同負載條件下的強度要求,具有充分的可行性。

▲圖4 轉向節應力云圖

▲圖5 輕量化設計后轉向節三維模型

▲圖6 輕量化設計后轉向節有限元模型

表4 輕量化設計后轉向節應力分析結果

8 結束語

筆者采用ANSYS軟件對汽車轉向節進行建模分析與輕量化設計,通過分析轉向節在不同負載條件下的最大應力,將材料和結構優化相結合,得到較為理想的輕量化設計方案。由ZL101A-T6鋁合金材料代替原始QT500-7球墨鑄鐵材料,轉向節質量由3.82 kg減小至1.66 kg,輕量化效果達到預期。

在輕量化設計中,依據分析結果發現最大應力集中于轉向節與轉向橫拉桿的連接處,通過提高該部位的結構強度,使強度滿足ZL101A-T6鋁合金材料的屈服極限,在實現轉向節輕量化的同時保證了可靠性,有效縮短設計周期。

汽車在實際行駛中,轉向節需要承受來自路面的沖擊與振動,長時間承受較高的沖擊載荷容易產生疲勞破壞。后續有必要針對采用ZL101A-T6鋁合金材料的轉向節進行動態行駛測試與驗證。

▲圖7 輕量化設計后轉向節應力云圖