基于ABAQUS的轿车内球头拉杆铆合有限元分析

滕明权

（万向钱潮（桂林）汽车底盘部件有限公司，广西 桂林541004）

轿车内球头拉杆是转向系统的关键安全件，作用为：传递转向动作，承受车轮转向冲击力，并随车轮摆动。球头拉杆的摆动角和拉脱力，关系到轿车的安全性。轿车内球头拉杆的摆动角和拉脱力要符合主机厂的设计要求，如何预知摆动角和拉脱力，成为产品开发过程中的迫切要求，因此，在内球头拉杆开发中引进了有限元分析软件ABAQUS，能够快速确认内球头拉杆的摆动角和拉脱力，缩短了开发时间。

1 结构简图及铆合方法

轿车内球头拉杆结构简图如图1所示，其由球头拉杆、球座、壳体组成，球头拉杆可绕球心转动及摆动，并承受轴向拉、压力，本文所分析的内球头拉杆拉脱力为≥50 kN，摆动角为33±2°。壳体内孔在铆合前是圆柱形，将球座、球头拉杆装入壳体内孔，然后用内腔为球面的铆合凹模进行铆合，将壳体口部缩小为半球形包住球座和球头拉杆的球头，使球头拉杆获得需要的摆动角、拉脱力等。其中，球座材料为聚甲醛，起减磨和缓冲作用，对摆动角、拉脱力影响非常小，为简化分析模型，本文不对其进行分析。

图1 内球头拉杆结构简图

2 建立分析模型

2.1 建立部件

轿车内球头拉杆的结构、载荷是对称的，另外，球头拉杆经过调质处理，在做拉脱力试验时，其变形量很小，对拉脱力影响非常小，为提高计算效率，在ABAQUS中建立轴对称部件，球头拉杆只取一部分进行分析，铆合凹模和球头拉杆设为刚体，如图2所示。

图2 内球头拉杆分析模型

2.2 划分网格

对壳体截面进行分区后，采用种子为0.5的四边形结构网格，单元类型为STANDARD轴对称应力线性减缩积分CAX4R。

2.3 确定材料属性

内球头拉杆壳体铆合及拉脱力试验属于材料塑性变形，采用弹塑性材料属性，应用Mises屈服准则[1]。壳体材料为20#圆钢，通过冷挤压成形，因冷作硬化作用，使得成形后口部硬度约为HB200，对应的抗拉强度为680 MPa，杨氏模量取210 000 MPa，泊松比取0.3。

2.4 定义相互作用

按实际接触情况，铆合凹模、球头拉杆分别与壳体之间建立STANDARD表面与表面接触对。

2.5 定义载荷及边界条件

按实际情况，在壳体底部施加固定约束，铆合凹模、球头拉杆分别施加对称约束。

根据分析要求，本模型的分析流程如下：

（1）铆合凹模下行铆合，直至铆合凹模球心超过球头拉杆球心0.5 mm，将壳体口部缩小为半球形。

（2）铆合凹模上行，回到原位。

（3）球头拉杆绕球心顺时针转动，直至碰到壳体，验证摆动角。

（4）球头拉杆绕球心逆时针转动，回到原位。

（5）球头拉杆上行，从壳体中拉出，验证拉脱力。

3 计算结果分析

第（1）分析结束时的应力云图如图3所示，壳体口部应力最大，并增厚了0.32 mm。

图3 第1分析步应力分布图

第（3）分析结束时的球头拉杆的摆动角如图4所示，最大摆动角为0.558 2弧度（32°），符合要求。

图4 第3分析步摆动角图

第（5）分析步结束时的球头拉杆的拉脱力曲线图如图5所示，最大拉脱力为60.9 kN，符合要求。

图5 第5分析步拉脱力图

本文所分析内球头拉杆，在实际生产中，摆动角为32~34°，拉脱力为57~63 kN，壳体口部局部增厚量为0.3~0.4 mm，有限元分析结果与实际结果很接近。

4 结束语

通过有限元分析软件ABAQUS建立简化的分析模型，并进行分析，得出内球头拉杆的最大摆动角和拉脱力，为分析内球头拉杆铆合提供了一种新的思路。分析模型经过简化后，分析效率非常高，提高了工作效率。

本方法能在早期预知内球头拉杆的最大摆动角和拉脱力，方便快捷，缩短了开发时间，节约了开发成本。

[1]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.