電動循環球轉向器殼體的輕量化設計＊

鄒理炎，虞忠潮，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學院，浙江 杭州 310018）

由于國內外汽車市場發展思路更新和節能環保理念的深入人心，商用車在輕量化方面的投入越來越大。各大汽車廠為了能多拉長跑，想方設法地減輕汽車零部件質量。眾所周知[1]，轉向器是汽車轉向系統的關鍵零部件，更是整車的安全件之一，在不改變材料情況下，轉向器已很難減重，而殼體一般能占據轉向器一半質量。目前市場上汽車輕量化材料主要有高強度鋼、鋁合金、鎂合金和有機基纖維復合材料等[2]，因鋁合金性價比最高，本文選用鋁合金作為轉向器殼體的輕量化材料進行分析試驗，但又因使用鋁合金材料會降低轉向器殼體的強度，因此需采用合適的鑄造與生產制造工藝，同時優化殼體結構來保證轉向器整體強度[3]。

1 電動循環球的結構組成

電動循環球轉向器機械部分結構如圖1所示，分析轉向器結構[4]可得2個軸承和側蓋板位置為殼體主要受力部分，后續對殼體受力分析時需格外關注。

圖1 電動循環球轉向器的結構

2 電動循環球殼體輕量化方案

傳統轉向器殼體普遍采用球墨鑄鐵，其強度大、韌性好、耐高壓，但質量大，一般會占去轉向器的40%～50%的質量。由于電動循環球轉向器沒有油壓系統，相應耐高壓要求較低，可從材料、結構和生產制造方面，來達到轉向器殼體輕量化設計目的。

2.1 材料

鋁合金與球墨鑄鐵相比，密度只有球墨鑄鐵的1/3，減重的效果顯然非常明顯，但鋁和鐵力學性能對比相差很多，會導致強度降低。因此需對鋁材料加一定比例的合金來提高機械性能要求，以保證材料的抗拉強度滿足要求，同時還需結合實際情況對零部件結構進行重新設計。

2.2 結構

轉向器殼體個別部位的實際受力較大，通常可達到55 kN，且最大受力部位受到整體結構的影響，無法加強。因此為防止鋁合金材料殼體整體強度不足，對薄弱部位采用鑲鋼套和加厚進行補強處理，如圖2所示。

圖2 前后優化方案對比

2.3 鑄造與生產制造工藝

鋁合金殼體在實際澆注過程中很容易產生氣孔和縮松，會造成漏油和殼體強度降低，從而引發產品風險。考慮到消失模鑄造工藝可以自由設計帶有復雜內腔的鑄件，并且消失模工藝尺寸精度高，外觀平整美觀，使用壽命更長。因此，對于鋁合金殼體的鑄造，此處用消失模替代傳統球磨鑄鐵鑄造工藝。

原殼體的內螺紋的制造工藝為先鉆后攻絲，此類工藝適用于球墨鑄鐵件，殼體材料變化后，先鉆后攻絲所生產出的螺紋強度滿足不了鋁殼體的裝配螺栓預緊力要求，不適用于鋁材料。為了保證鋁殼體的強度，設計鋁殼體采用先鉆后擠壓螺紋工藝，以使其螺紋強度達標。

3 CAE分析

確定轉向器殼體輕量化方案之后，使用有限元軟件對殼體進行CAE分析[5]，來驗證輕量化方案的可行性。已知轉向器殼體在2個軸承和側蓋板位置處受力，其承受載荷大小和方向如圖3所示，并對輕量化方案優化前后的殼體分別進行CAE分析。

圖3 施加載荷位置和大小

已知球墨鑄鐵的抗拉強度為450 MPa，屈服強度為310 MPa。輕量化方案前殼體的等效應力云圖如圖4所示，從圖4可知模型中殼體的最大應力出現在殼體的內螺紋孔處，最大達到941.41 MPa，此處球墨鑄鐵的抗拉強度和屈服強度均已無法達到該要求，可能會產生產品零部件斷裂失效。

圖4 輕量化前殼體應力云圖

已知鋁合金的抗拉強度為350 MPa，屈服強度為280 MPa。輕量化方案后殼體的等效應力云圖如圖5所示，從圖5可知殼體的最大應力出現在內螺紋孔的加強筋處，為211.68 MPa，但此處鋁合金的抗拉強度和屈服強度仍能滿足需求。

圖5 輕量化后殼體應力云圖

4 臺架試驗

為了進一步驗證輕量化后的鋁殼體強度，利用轉向器試驗臺架對其進行疲勞試驗[6]，試驗運行現場如圖6所示。按照試驗要求需對轉向器總成做5萬次磨損試驗，并分析試驗后的鋁殼體，殼體表面無氣孔、無沙眼、無變形及無裂紋，并且試驗完成后無滲漏，殼體密閉性良好，表明此次輕量化方案的鑄造工藝滿足產品要求[7]。

圖6 鋁殼體進行臺架強度試驗

與傳統球墨鑄鐵殼體相比，鋁殼體的整個質量減輕到原來1/3左右，同時通過仿真驗證和臺架試驗發現輕量化后的鋁殼體的強度較原來得到了優化，證明此次輕量化方案是可行的。

5 結論

本文建立了輕量化前后的轉向器殼體有限元模型，并完成了殼體從三維建模、CAE仿真分析到臺架試驗的過程。同時通過CAE分析得到輕量化前后殼體的應力分布情況，并根據臺架試驗驗證此次輕量化方案是可行的，保證產品可行性的同時降低了制造成本。目前輕量化后的轉向器殼體已投入試裝，無不良市場反饋。