基于ANSYS软件的汽车转向节轻量化设计

2021-11-08□徐丹

机械制造 2021年10期

□ 徐丹

江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院江苏常州 213025

1 设计背景

21世纪以来,汽车制造业呈现电动化、网联化、智能化、共享化的发展趋势。汽车轻量化是实现汽车电动化、网联化、智能化、共享化的重要战略举措之一[1]。在保证汽车整体强度的前提下,减轻汽车的整体质量,可以提高汽车的动力性和主动安全性,实现节能减排的目的。根据美国铝业协会的统计数据,汽车减轻质量10%,可以减少3.3%油耗[2],缩短制动距离5%,减小转向力6%[3]。由此可见,对汽车零部件进行轻量化设计和研究,具有重要意义和价值。

在汽车设计中,对底盘悬架进行轻量化设计,可以在很大程度上减轻汽车质量[4]。转向节是悬架系统中的重要组件,对转向节进行轻量化设计,可以获得明显效果。由于转向节在车辆行驶中不仅要承受汽车前部载荷,而且要带动前轮转动,强度、抗冲击性、稳定性有较高的要求,因此在转向节轻量化设计时,要考虑其机械性能是否能满足要求[5]。李万敏等[6]等对汽车转向节进行建模,并对不同工况下的应力分布与静态强度进行了分析。黄小娣[7]分析了汽车转向节的模态特性,通过对比判断出外界的激励频率远远小于转向节的固有一阶频率,有效防止了共振产生。周渝等[8]分析了汽车转向节臂结构拓扑优化模型的建立方法,得到了基于初始模型的轻量化方向,为后续轻量化设计提供了参考。笔者基于ANSYS有限元分析软件构建汽车转向节模型,计算不同负载条件下的应力分布,通过强度分析,围绕转向节材料、结构、工艺等方面开展轻量化设计。

2 有限元建模

以一款空载质量为1.6 t的运动型多功能汽车为例进行分析,将整车拆卸下的左前转向节作为三维模型构建的目标结构。通过三坐标测量仪测量出转向节的几何尺寸,在Unigraphics NX软件中重建转向节的三维模型,再导入ANSYS软件建立完整的数值模型。转向节三维模型如图1所示。

▲图1 转向节三维模型

转向节选择ANSYS软件提供的Solid45单元进行结构建模。为了提升有限元分析的准确性,模型采用八节点四角正交网格。为避免数值模拟的求解时间过长,力求准确快速得到分析结果,需要对结构边缘的圆角等进行修改和简化[9]。整个转向节模型网格化后的节点数为7 491,单元数为5 301。转向节有限元模型如图2所示。

▲图2 转向节有限元模型

3 材料属性

转向节材料为QT500-7球墨铸铁,材料参数见表1[10]。

表1 QT500-7球墨铸铁参数

4 负载

为了能够反映转向节在不同负载下的实际受力情况,准确分析转向节结构的强度,选择整车空载、承载两人、承载四人、承载六人等四种负载条件进行分析。通过整车检测,左前轮所受的负载分别为4 714.7 N、5 166.9 N、5 319.7 N、5 244.3 N。当整车承载由四人增加至六人时,由于整车后方质量增大,使前轮往上翘起,产生负载反而减轻的现象。整车负载如图3所示。图3中,W1、W2、W3、W4依次为地面对左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的反力,L1为前轮质心与整车质心的距离,h0为地面与整车质心的距离,L2为前后轮之间的距离。

5 应力分析结果

各种负载条件下的转向节应力分析结果见表2,应力云图如图4所示。

表2 转向节应力分析结果

▲图3 整车负载

在四种负载条件下,转向节的最大应力分别为188 MPa、207 MPa、211 MPa、209 MPa,均低于原始转向节设计材料QT500-7球墨铸铁的屈服强度(320 MPa),说明原始转向节设计材料拥有足够的强度,不会产生破坏。由此,转向节轻量化设计时可以考虑将材料与结构优化相结合。

6 轻量化设计方案

目前,汽车轻量化设计方案主要包括新结构、新材料、新工艺、新方法[11]四方面。由图4可以发现,转向节整体应力远小于原设计使用的球墨铸铁材料屈服极限,结构强度足以应对不同的承载情况。由此,实现转向节的轻量化,在材料选择方面仍有可调整的空间。考虑在转向节结构优化的基础上,将材料改为铝合金。转向节结构最大应力主要分布在转向节与转向横拉杆连接处,可以适当调整结构,提高强度。具体采取以下方案进行优化:① 将转向节材料由QT500-7球墨铸铁改为ZL101A-T6铝合金;② 在转向节与转向横拉杆连接处肩部两侧进行补强。

按上述方案对转向节进行模型重构,轻量化设计后的转向节三维模型如图5所示。模型使用Solid45八格点线性实体单元,节点自由度为三个方向的位移,构建出有限元素模型网格。轻量化设计后的转向节有限元模型如图6所示。模型总体结构与原始设计差别不大,但质量由原来的3.82 kg减小至1.66 kg,轻量化效果达到56.5%。ZL101A-T6铝合金材料的参数见表3[12]。

表3 ZL101A-T6铝合金参数

7 分析结果

轻量化设计后,转向节在各负载条件下的应力分析结果见表4,转向节应力云图如图7所示。在四种负载条件下,轻量化设计后转向节的最大应力分别为185 MPa、203 MPa、207 MPa、205 MPa,均小于ZL101A-T6铝合金材料的屈服强度(246 MPa)。由于轻量化设计只对转向节部分结构位置进行补强,因此使用较少的材料即获得了补强效果,在轻量化的同时,满足转向架机械强度冗余要求。笔者通过采用材料和结构优化相结合的轻量化设计方案,使转向节满足不同负载条件下的强度要求,具有充分的可行性。