基于有限元分析的汽車前橋前軸的優化設計

蘭常艷，黃在璐

（方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006）

前軸是汽車前橋的重要部件，其功能是承受汽車前部的載荷，支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態下，承受著多變的載荷，因此，要求其具有很高的強度，是汽車上的安保件。設計不合理的前軸，壽命短，容易斷裂，對汽車的行駛安全構成極大隱患。隨著有限元分析技術的發展，通過有限元分析，能夠在零件設計之初，對零件的結構和強度進行分析，尤其對于需要進行模具開發的零件，能夠提高產品開發的一次成功率，降低開發成本，減少浪費。同時，能使產品的結構得到最大的優化，減少零件材料自身的凈質量。本文通過Solid Works 對前軸的結構進行有限元分析，對其疲勞性能進行研究，并進行結構優化方案設計。

理論依據為：應用有限元分析軟件COSMOS Works 對前軸進行有限元分析計算，在應力云圖的基礎上，進行疲勞極限分析，對零件進行優化和改造，提高零件的性能。

1 前軸三維數模的建立

利用Solid Works 建立實體的三維模型，并導入COSMOS Works。三維幾何模型如圖1。

圖1 前軸三維模型

介于分析的目的是模擬工況，得出參考數據，所以本文在分析的過程中，增加與前軸相接觸的零件（如圖2），這樣更能達到分析的效果。

圖2 前軸及配合件模型

2 零件的材料參數

前軸的材料采用45 號鋼，材料參數如表1 所列。

表1 前軸材料參數表

3 有限元模型約束和載荷分析

前軸是通過主銷將汽車兩邊車輪進行連接，汽車行駛時，前軸在板簧安裝面處承受來自板簧的垂直支撐載荷F。因此，載荷的施加方法為：約束車輪中心位置，在板簧中心施加載荷F。考慮到有限元分析的過程，需要大量的時間，為了縮短分析時間，本文采用對稱分析的方法，約束和載荷如圖3。

圖3 前軸約束及載荷

4 有限元分析劃分網格

以單元大小為10 mm、公差為0.5 mm 對前軸模型進行網格劃分，如圖4 所示。前軸節點數為144 627，單元總數為95 025。

圖4 前軸網格劃分

5 有限元分析結果

將使用工況的載荷施加到有限元模型中，提交COSMOS Works 進行計算，在COSMOS Works 防真導航器中得到位移，應力應變的分布情況（如圖5）。

圖5 前軸應力分布

從該應力云圖中可以看出，在前橋R 圓弧過渡區域，應力數值為整個模型的最大區域，同時也是應力梯度變化最劇烈的區域。零件采用的是45 號鋼材料，該區最大應力出現在R 圓弧過渡區的應力集中，值為345 MPa，超過材料的許用應力335 MPa。說明該過渡區域結構不合理，無法滿足使用工況的要求。在使用的過程中會從該處斷裂。因此，必須對此區域結構進行改進，提高強度。

6 零件優化設計及模型分析

根據之前有限元分析的結果，很容易找到零件的薄弱之處。針對薄弱之處，提出以下優化措施：

（1）將零件材料由45 號鋼，更改為50 號鋼。

（2）增大中部的橫截面積。

（3）過渡區域變緩。

優化后，重新生成模型。進行模型網格劃分：單元大小為10 mm，公差為0.5 mm，支架節點數為145 169，單元總數為95 759（如圖6）。

圖6 優化后前軸網格劃分

優化后變截面的應力云圖如圖7 所示。R 圓弧過渡區域的應力為247 MPa。

圖7 優化后前軸應力分布

通過改變前軸的材料和結構，對前軸進行優化設計，再次進行有限元分析表明，減少了前軸過渡的應力集中，提高了前軸的強度，使之達到工況要求。改進前，前軸過渡區域應力為345 MPa；改進后，前軸過渡區域應力減少為247 MPa，應力減少28%。

通過有限元分析，在零件設計過程中，就能夠及時發現設計中的缺陷，通過調整零件結構和材料等參數，對零件的應力分布進行對比，選擇最優的材料和結構，從而達到零件優化設計的目的。

7 結束語

通過Solid Works 建立前軸的三維模型，結合COSMOS Works 對其進行疲勞應力分析，得到此零件的應力分布情況。有限元的分析方法，在其他產品零件設計中，具有重要的借鑒意義。利用計算機輔助設計，可以在精確建模的基礎上，模擬技術零件的強度，找出其結構上的薄弱環節，通過比較、校驗改進設計，最終得到理想方案。同時，為后期的試驗提供參考，減少試驗次數，降低試驗成本，縮短開發周期，提高產品的品質。

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