扭力梁后橋襯套壓裝過(guò)程仿真及其工藝改進(jìn)

齊軍， 盛云

(1.上海匯眾汽車制造有限公司， 上海 200122；2.上海汽車底盤電子化及輕量化工程技術(shù)研究中心， 上海 200122)

0 引 言

襯套和套筒靠過(guò)盈配合連接，且要求襯套能在任何使用工況下都始終保持在套筒內(nèi)，否則不能實(shí)現(xiàn)傳遞載荷和隔絕振動(dòng)的功能，并會(huì)導(dǎo)致異響或NVH和操控性能下降等問題。襯套始終保持在套筒內(nèi)，轉(zhuǎn)化到工程要求即為襯套的壓出力須滿足一定要求。[1]壓入力的大小直接影響套筒和襯套的物理狀態(tài)，從而影響壓出力的大小。壓入力過(guò)大，受限于壓機(jī)能力，襯套可能壓入不完全或襯套外壁塑性變形過(guò)大，影響襯套的剛度和阻尼特性；壓入力過(guò)小，襯套與套筒連接的可靠性減弱，使襯套吸收沖擊、減小振動(dòng)的效果變差，而且容易出現(xiàn)脫離失效。因此，襯套的壓裝雖然看起來(lái)是一個(gè)很簡(jiǎn)單的動(dòng)作，但其可靠性對(duì)底盤系統(tǒng)乃至整車的各項(xiàng)性能均有重要影響。

襯套壓裝過(guò)程一般通過(guò)壓力-位移曲線監(jiān)控[2]。在某扭力梁后橋襯套裝配過(guò)程中，出現(xiàn)壓入過(guò)程壓機(jī)負(fù)載較大、后半程曲線抖動(dòng)嚴(yán)重的現(xiàn)象，且伴有“吱吱”異響，襯套無(wú)法壓裝到位。本文采用有限元法對(duì)此問題進(jìn)行剖析，確定解決方案。

1 襯套壓裝工藝及存在的問題

該扭力梁后橋襯套壓裝設(shè)備與布置見圖1。壓機(jī)采用臥式壓機(jī)，左、右兩側(cè)襯套同時(shí)上料、同步壓入。實(shí)測(cè)壓入力-位移曲線見圖2，在壓入約50 mm后壓入力出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，此時(shí)壓機(jī)已處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，接近壓機(jī)的工作極限100 kN，該襯套仍無(wú)法完全壓入。

圖1 襯套壓裝設(shè)備與布置

圖2 實(shí)測(cè)壓入力-位移曲線

抽取同批次的20件套管與襯套進(jìn)行尺寸檢測(cè)并分析壓入力。套管內(nèi)徑尺寸為79.51～79.70 mm，襯套外徑尺寸為80.22～80.44 mm，換算過(guò)盈量為0.52～0.93 mm，而設(shè)計(jì)過(guò)盈量為0.3～0.7 mm，換算過(guò)盈量存在高于配合的情況。為分析過(guò)盈量及其他因素對(duì)壓入力和壓出力(統(tǒng)稱壓裝力)的影響，結(jié)合有限元法，建立襯套壓裝過(guò)程仿真模型。

2 襯套壓裝有限元建模

有限元法常用于分析過(guò)盈裝配過(guò)程，計(jì)算可得到壓入力-位移曲線，幫助確定合理的過(guò)盈壓裝方案[3-5]。

套筒設(shè)計(jì)內(nèi)徑80.0 mm，公差-0.4～-0.2 mm，襯套外壁設(shè)計(jì)外徑80.2 mm，公差-0.1～0.1 mm，建立套筒和襯套三維數(shù)值模型，并在Altair HyperMesh軟件中使用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元尺寸為2.0～3.0 mm，得到離散化網(wǎng)格模型，單元總數(shù)30 670個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)41 867個(gè)，有限元模型見圖3。

圖3 襯套壓裝有限元模型

在襯套頂端和套筒底端的端面圓心處分別建立硬點(diǎn)并將其標(biāo)記為硬點(diǎn)1和2；壓裝過(guò)程中設(shè)置套筒始終保持靜止，移動(dòng)襯套完成壓入或者壓出動(dòng)作。在套筒底端和襯套外壁頂端建立RBE2剛性連接，模擬載荷施加的連接關(guān)系。

襯套壓裝過(guò)程分為壓入過(guò)程和壓出過(guò)程。設(shè)置襯套端面硬點(diǎn)1(襯套上端面的圓心)沿襯套軸向的強(qiáng)制位移，位移值由襯套壓裝的行程和初始襯套與套筒的間隙決定，約束硬點(diǎn)1其余5個(gè)方向的自由度。套筒底端的硬點(diǎn)2邊界條件為約束6個(gè)方向的自由度。壓入、壓出過(guò)程的區(qū)別僅在于壓裝強(qiáng)制位移值的不同。

套筒材料為鋼20+N，其屈服強(qiáng)度為357 MPa，抗拉強(qiáng)度為507 MPa；襯套外壁鋼為DC04，其屈服強(qiáng)度為115 MPa，抗拉強(qiáng)度為263 MPa；摩擦系數(shù)設(shè)為0.3[6]。對(duì)壓裝有限元模型進(jìn)行仿真試算，發(fā)現(xiàn)在0.3 mm過(guò)盈量下最大壓入力為29.6 kN，在0.7 mm過(guò)盈量下最大壓入力為16.5 kN。這與實(shí)際不符，原因可能是：一方面，材料參數(shù)對(duì)仿真有重要影響，是導(dǎo)致仿真壓入力過(guò)低的主要原因；另一方面，當(dāng)過(guò)盈量過(guò)大時(shí)，由于DC04鋼材料屈服強(qiáng)度較低，塑性變形過(guò)大，壓入力反而降低。

襯套外壁的加工工藝為沖壓成型，考慮沖壓硬化對(duì)材料性能的影響。對(duì)襯套外壁取樣，實(shí)測(cè)得到其屈服強(qiáng)度為463 MPa，抗拉強(qiáng)度為497 MPa，其與鋼DC04原材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比見圖4。

圖4 襯套外壁實(shí)物與原材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

采用實(shí)物取樣得到的材料參數(shù)，對(duì)0.30 mm過(guò)盈量的壓裝仿真模型進(jìn)行計(jì)算，最大壓入力為84.56 kN，與實(shí)際較為接近。

3 影響因素分析

過(guò)盈量對(duì)壓裝有顯著影響，仿真分析時(shí)可適當(dāng)調(diào)寬設(shè)計(jì)過(guò)盈量范圍，分析是否存在顯著降低壓入力的過(guò)盈量區(qū)間。套管通過(guò)焊接連接到扭力梁本體，焊接導(dǎo)致的套管變形也可能對(duì)壓裝有一定影響。摩擦系數(shù)對(duì)壓裝有較顯著的影響，若通過(guò)涂油降低摩擦系數(shù)，也可能降低壓入力。

3.1 過(guò)盈量的影響

設(shè)定過(guò)盈量為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.50和0.70 mm，分別建立對(duì)應(yīng)的襯套三維有限元模型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3[6]，相關(guān)尺寸參數(shù)和壓裝力計(jì)算結(jié)果見表1，壓裝力與過(guò)盈量關(guān)系曲線見圖5。

表 1 不同過(guò)盈量時(shí)壓裝力計(jì)算結(jié)果

圖5 壓裝力與過(guò)盈量的關(guān)系曲線

由圖5可以看出，當(dāng)過(guò)盈量為0.3～0.7 mm時(shí)，壓入力相差很小，只有過(guò)盈量低于0.30 mm時(shí)壓入力才隨著過(guò)盈量的遞減而大幅降低。

3.2 焊接變形的影響

套管通過(guò)焊接連接到扭力梁后橋，測(cè)量實(shí)物發(fā)現(xiàn)，套管焊接前圓度較好，焊接后存在較明顯的焊接變形，導(dǎo)入端呈橢圓狀，徑向直徑相差約0.60 mm，且焊接后套管的平均值較焊接前略有縮小。

為分析焊接變形對(duì)襯套壓裝過(guò)程的影響，先對(duì)套管進(jìn)行焊接變形仿真。在Sysweld中建立套管焊接變形有限元仿真模型，結(jié)果見圖6。將焊接變形仿真得到的bdf網(wǎng)格文件導(dǎo)入HyperMesh軟件中進(jìn)行計(jì)算，套筒和與之焊接連接的結(jié)構(gòu)仍作為殼單元處理，襯套采用六面體單元。調(diào)整套筒端面的節(jié)點(diǎn)，以保留套筒端面倒角特征，其余接觸面的設(shè)置方法與常規(guī)未考慮焊接變形分析的壓裝仿真一致，可獲得考慮焊接變形的襯套壓裝力仿真結(jié)果。焊接變形對(duì)壓裝力-位移曲線的影響見圖7，曲線上半部分為壓入力，下半部分為壓出力，可見壓入與壓出過(guò)程形成一條閉合的曲線。

圖6 套管焊接變形有限元仿真模型

圖7 是否考慮焊接變形對(duì)壓裝力-位移曲線的影響

不考慮焊接變形時(shí)的最大壓入力為84.5 kN、最大壓出力為69.5 kN，考慮焊接變形的最大壓入力為78.5 kN、最大壓出力為67.5 kN：焊接變形使壓入力降低6.0 kN(降幅7%)、壓出力降低2.0 kN(降幅3%)，對(duì)壓出力影響相對(duì)較小。

3.3 摩擦系數(shù)的影響

綜合考慮過(guò)盈量與摩擦系數(shù)的影響，分別選擇0.1和0.5 mm的過(guò)盈量，設(shè)置0.10、0.15、0.20、0.25和0.30的摩擦系數(shù)，分析壓裝力的變化，結(jié)果見表2和圖8。

表 2 不同摩擦系數(shù)下壓裝力仿真結(jié)果

圖8 壓裝力與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線

4 解決方案與驗(yàn)證

綜合上述分析，擬定解決方案并制作樣件：方案一，增大套筒內(nèi)徑、縮小襯套外壁外徑，以降低總體過(guò)盈量；方案二，在方案一的基礎(chǔ)上疊加襯套外壁涂油，降低摩擦系數(shù)。在該批次試制樣件中，套管內(nèi)徑平均尺寸為79.80 mm，襯套外徑平均尺寸為80.21 mm，平均過(guò)盈量為0.41 mm，較問題樣件的平均過(guò)盈量減小0.31 mm。壓裝試驗(yàn)壓入力實(shí)測(cè)結(jié)果分別見表3和4。

表 3 方案一襯套樣件壓入力實(shí)測(cè)結(jié)果

表 4 方案二襯套樣件壓入力實(shí)測(cè)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：方案一使平均壓入力較初始狀態(tài)降低約15 kN；方案二中的涂油又使平均壓入力繼續(xù)下降約9 kN，此時(shí)壓入力完全滿足壓機(jī)負(fù)荷要求，且壓入后沒有出現(xiàn)任何壓裝缺陷。因此，最終采用方案二進(jìn)行工藝改進(jìn)。

5 結(jié) 論

針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中襯套和套筒裝配出現(xiàn)壓入力過(guò)大甚至導(dǎo)致襯套無(wú)法完全壓入的問題，理論聯(lián)系實(shí)際，開展襯套壓裝過(guò)程模擬分析，解決壓裝力過(guò)大問題，主要結(jié)論如下：

(1) 材料參數(shù)對(duì)襯套壓裝結(jié)果影響極大，仿真前必須了解工藝過(guò)程，盡可能從實(shí)物上取樣進(jìn)行材料參數(shù)測(cè)試，以確保仿真模型的準(zhǔn)確性。

(2) 過(guò)盈量0.3 mm是壓裝力變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，過(guò)盈量低于0.3 mm時(shí)過(guò)盈量對(duì)壓裝力有明顯影響，而過(guò)盈量高于0.3 mm后壓裝力變化較為平緩。過(guò)盈量為襯套與套管尺寸的綜合計(jì)算量，0.3 mm這一理論值與實(shí)際狀態(tài)可能會(huì)有一定偏差。

(3) 摩擦系數(shù)與壓裝力成線性關(guān)系，在襯套外涂油降低摩擦系數(shù)是降低壓裝力的有效方法。

(4) 采用降低過(guò)盈量并涂油的方案，試驗(yàn)驗(yàn)證壓入力可降低至50.5 kN，有效解決原襯套壓入力過(guò)大的問題。