基于ABAQUS软件的汽车球铰力学性能仿真计算研究

李 涛，陈光耀，张志猛

(1.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710000：2.武汉理工大学，湖北 武汉 430070；3.陆军工程大学，湖北 武汉 430070)

在汽车球铰温度升高的过程中会产生膨胀，为了对这种膨胀现象进行合理有效的控制，首先需要了解球碗热膨胀状态下的应力场[1]。因此，本次研究针对汽车球铰进行热膨胀分析，所使用的分析工具为ABAQUS软件。

1 热膨胀分析

在进行热分析之前，首先要对模型的初始温度场进行设定，再对分析中的温度场进行修改，进而形成温差[2]。通过Abaqus将几何体离散成扩散热传导单元，在此基础上进行热分析。材料性能参数具体如表1所示。

本次研究只考虑POM材料力学性能与温度之间的关系，将轴向过盈量设定为0.1 mm，将径向过盈量设定为0.02 mm。由图1可知，在温度由22 ℃增加到79 ℃的过程中，球碗底部加强筋部位的应力最大，最大应力值由92.26 MPa下降至49.55 MPa，并且整个球碗体现出了大致相同的应力分布情况。

表1 材料性能参数

图1 不同温度下球碗底部应力云图

若考虑POM材料力学性能与温度及热膨胀量之间的关系，则很有可能会得出不同的分析结果[3]。由图2可知，在温度由22 ℃增加到79 ℃的过程中，虽然球碗的最大应力出现变化，但仍然是球碗底部加强筋部位的应力最大。最大应力值由92.26 MPa下降至61.99 MPa，相比于不考虑膨胀的情况来说，在热应力附加效应的作用下，整个球碗的应力值略微上升，可以通过式(1)来表示热应力：

(1)

式中：L为物体长度,mm；ΔT为温度增量，℃；α为热膨胀系数。

图2 不同温度下球碗应力云图

为了能够对由温差所造成的热膨胀进行更加直观的观察，本次研究从球碗径向与轴向两个方面进行衡量，即考虑POM材料热变形与过盈配合两方面的变化，通过二者之间的差值来获取热膨胀量。

通过图1、图2可以发现，球碗上边缘出现了沿X向0.005 mm的轴向位移，下边缘出现了沿X向0.065 mm的轴向位移。球碗部位出现了0.015～0.03 mm的Y向位移量。由于球碗存在对称性特点，因此X与Y向会出现一致的位移量。

由于经过热精整之后的球铰必然会恢复至室温温度，因此其热膨胀过程只能对热精整环境下的参数变化给出反映，这就需要在“退火”过程背景下对球铰的参数变化进行分析，进而将球铰产品性能更加充分地反映出来[4]。通过图2可以发现，在球铰未热精整的情况下，应力主要集中在油槽边缘，其他部位接触应力均在70 MPa以下。热精整过程中的球铰由于受到热膨胀和蠕变时效的共同影响，未热精整的分析结果与球碗的接触应力值十分接近，球铰在经过热精整后再将其置于室温环境下，会大幅降低球铰的接触应力值，出现该现象的原因在于温度上的落差会消除由热精整所形成的膨胀。

另外，根据图3所示，球铰在未精整的状态下，过盈配合会使应力集中于油槽部位，造成该部位出现较大的接触应力梯度，使球碗早期磨损更加严重。处于热精整过程中的球铰，其温度在降低至室温的情况下，球碗各部位接触应力值均出现了一定的下降，油槽部位应力梯度发生了显著的缩减。

图3 球碗的接触应力曲线

经实验研究发现，球铰的接触应力很大程度上会受到热精整工艺的影响，为了进一步分析球铰扭矩与热精整之间的关系，还应当优化球铰的轴径向过盈量。

2 过盈量再优化

通常情况下，为了能够使对由精整所产生的膨胀应力与热应力进行有效的控制，需要在内部结构中留出一定的膨胀间隙[5]。然而，球铰通常是由旋铆与压装来实现装配的，即使球碗与球销之间存在一定的间隙，这部分间隙也会因装配而消失[6]。因此，本次研究不再分析由间隙量所产生的影响，单纯分析球碗在热精整后因过盈量所引起的应力分布情况。

该环节的研究仍然借助Abaqus软件来进行热分析，获取球碗内表面各节点的接触压强值。通过Origin软件来拟合各轴径向过盈量下的观测结果，最终得到如图4所示的拟合曲线。

图4 过盈量-接触应力曲线

根据文献[7]所给出的计算结果，球销与球碗结合面之间应当留出至少8.45的最小接触应力，再结合图2所给出的过盈量-接触应力曲线，本次研究将过盈配合组归纳为A、B两组。A组：轴向过盈量0.08 mm，径向过盈量0.02 mm；B组：轴向过盈量0.14 mm；径向过盈量0.01 mm。

考虑到实际生产中的球铰配合公差带与产品的尺寸控制能力，应当将轴向过盈量控制在高于0.1 mm的水平。由于比较接近要求的是A 组的轴向过盈量，并且轴向过盈量对接触应力小于径向过盈量，因此可以将A 组轴向过盈量直接设定为0.1 mm[8]。另外，球铰在经过热精整后，其球销与球碗之间并不会出现较大的间隙，因此直接将球碗接触应力分布的均匀性设定为评价参数。设μA为A 组接触应力值偏差，设μB为B 组接触应力值偏差，经计算可知，μA=6.587，μB=8.078。因此，B组为最佳过盈量组合。

3 球铰扭矩与热精整工艺之间的关系

为了对前述所得出的结论进行验证，本次研究通过实验的方式来观察球铰扭矩与热精整工艺之间的关系。在实验中所采用的球铰产品均经过热精整处理，在实验中所采用的球铰产品均经过热精整处理，通过千分尺和三坐标测量仪来测量零件尺寸，进而获取目标轴向过盈配合量和径向过盈配合量，并且所使用的球铰均通过防尘罩给予保护，最大程度上还原真实状况下的球铰使用环境。最终的实验结果如图5所示。

图5 球铰扭矩测试结果

经实验研究发现，球铰在经过热精整后，其后扭矩值出现明显下降，在轴向过盈量为0.1 mm，径向过盈量为0.02 mm的情况下，未经热精整的理论值高于未经热精整的测试值，二者之间存在12.23%的误差，经热精整的理论值低于经热精整的测试值，二者之间存在24%的误差；在轴向过盈量为0.14 mm，径向过盈量为0.01 mm的情况下，未经热精整的理论值高于未经热精整的测试值，二者之间存在9.06%的误差，经热精整的理论值低于经热精整的测试值，二者之间存在27.5%的误差。由此可知，过盈量组合的球铰扭矩值应当维持在1.6 N·m左右。

4 结 语

本次研究从力学性能的角度对球铰进行了热分析，阐述了球铰热精整前后在接触应力分布方面所发生的变化，并在此基础上提出了过盈量再优化方案。做好汽车球铰的力学分析工作，是未来一段时间内提升汽车行驶稳定性的重要工作，在相关的研究中还需要考虑更多的力学性能影响因素，进一步丰富汽车力学研究的理论要素。