汽車電動轉向泵螺栓仿真分析

趙建寧

（青海交通職業技術學院 汽車工程系 青海 810003）

0 引言

螺栓連接是連接關系中的一種，其強度的好壞決定了連接的穩定性。保證螺栓強度，才能保證其被連接件可工作性。因此，螺栓強度分析是仿真分析中必不可少的一項，同時也是一個難點。

1 仿真數模建立及工況

在參照汽車電動轉向泵試驗實際物理模型的基礎上，并對轉向泵殼體作簡化處理，忽略轉向泵等構件中對系統結構及強度影響不大的小特征，同時注意轉向泵殼體與螺栓之間節點的對應，建立其有限元模型如圖1所示。

圖1 仿真數模及簡化部位

依據實際受力情況加載約束，并根據試驗時的工作壓力10MPa、1Hz的頻率沖擊以及螺栓力矩設置工況。

2 仿真分析結果

2.1 螺栓應力結果

殼體的應力結果如圖2所示。

由于繞軸線剛度較弱，應力值偏大，導致圖中右上方對應的螺栓應力值比其他螺栓大，其應力分布圖如圖3所示。

2.2 螺栓疲勞分析結果

根據疲勞破壞機理與斷口特征描述，裂紋源通常在高應力局部或材料缺陷處，此例顯示為高應力部位。利用疲勞分析軟件，將模型與結果導入，進行相關設置，得出的疲勞分析結果如圖4所示，壽命最短的地方，正是應力集中的位置。

圖2 殼體應力分布圖

圖3 螺栓最大應力位置分布圖

圖4 螺栓疲勞壽命分布圖

3 優化方案及仿真分析結果

3.1 優化方案

根據應力集中位置，改善方法有兩種：

1）加強繞軸線方向殼體的剛度。

2）加大螺栓直徑。

因此，優化方案亦有兩種：

方案1：去除該體凸臺部分，并體加厚至8mm。

方案2：將原M6螺栓改為M8螺栓。

3.2 優化方案仿真分析及結果

1）方案1仿真分析結果

方案1旨在提高整體剛度并且分散局部剛度，避免某一處剛度過小，其有限元模型如圖5所示。

圖5 方案1有限元模型

方案1的應力分布圖如圖6所示。

圖6 方案1應力分布結果(左為預緊力，右為壓力)

此時由于剛度比較平均，導致螺栓應力值比較平均。將其導入疲勞分析，進行與原方案同樣的疲勞設置，其螺栓疲勞結果如圖7所示。

圖7 方案1疲勞分析結果

2）方案2仿真分析結果

方案2旨在直接提高螺栓本身的剛度。但是由于螺栓直徑的增加，所以其擰緊力矩由原來的16N·m提升為20N·m。方案2的有限元模型如圖8所示。

圖8 方案2有限元模型

其相應的應力如圖9所示，疲勞結果如圖10所示。

圖9 方案2應力分布結果(左為預緊力，右為壓力)

圖10 方案2疲勞分析結果

此時應力集中位置雖然仍然在螺栓處，但是由于螺栓應力明顯下降，材料強度明顯比殼體好，所以疲勞點轉移到殼體上。

4 兩種方案仿真分析結果對比

兩種方案對比結果如表1所示。

表1 兩種方案對比結果

在預緊力作用下，螺栓應力分布均勻，變化不大。方案1的加厚殼體變化不顯著，針對方案2雖然預緊力由16N·m提升為20N·m，但螺栓直徑加大，所以整體應力反而下降，其變化比方案1顯著。

在壓強作用力下，方案1和方案2的螺栓強度均顯著提升，方案1提升16.7%，方案2則提升29.6%，相較之下，方案2變化更明顯。

在應力計算完成之后，對各種載荷工況聯合計算，在此基礎上進行疲勞分析。由數據可以看出，方案2提升效果比方案1顯著。

綜合以上分析結果，兩種方案中方案2更優。

5 結束語

通過對汽車電動轉向泵的螺栓進行仿真數模建立及仿真分析，提出針對問題的兩種優化方案，并對兩種優化方案進一步進行仿真分析，通過結果對比最終得出加大螺栓直徑的方案2是最佳的方案。

[1]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢: 華中科技大學出版社,2001.

[2]張勝蘭, 鄭東黎.基于Hyperworks的結構優化設計技術[M].北京: 機械工業出版社, 2007.