基于公差配合分析的前橋主銷結構優化

雷 剛，胡 鵬，楊述松，鄧虹輝

(1.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054;

2.南車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

基于公差配合分析的前橋主銷結構優化

雷 剛1，胡 鵬1，楊述松1，鄧虹輝2

(1.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054;

2.南車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

以輪胎起重機前橋為研究對象對其進行強度分析。在傳統的強度分析基礎上，考慮邊界條件的非線性問題，進一步提出了公差配合對受力結果的影響。最后對主銷進行結構優化，使其滿足強度要求，為企業對該類產品的研發提供了借鑒。

有限元;非線性;公差配合

汽車的車橋(又稱車軸)通過懸架與車架(或承載式車身)相連接，兩端安裝車輪。其作用是傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間的各種作用力及其力矩［1］。根據汽車設計相關理論，為了保證工作的安全性和可靠性，對車橋進行強度分析具有十分重要的意義，但是傳統的強度分析并沒有使用其邊界條件的非線性，更沒有考慮實際情況下配合公差對分析結果的影響。隨著計算機和有限元軟件的發展，有限元方法在工程實際中運用更加廣泛，傳統的分析方法已不能滿足可靠性和安全性的要求［2］。

本研究針對越野輪胎起重機前橋進行極限公況下的強度分析，同時通過優化主銷結構來降低應力值。首先在最大側向力行駛工況下對車橋進行強度分析，同時考慮接觸高度非線性問題、材料非線性和配合公差，查看不同間隙量對分析結果的影響，最后通過改進主銷結構，將配合公差對主銷應力的影響降低，使其滿足強度要求。在越野輪胎起重機車橋研發的前期，此研究同樣具有一定的參考價值。

1 越野輪胎起重機前橋建模

1.1 建立幾何模型

利用三維設計軟件UG建立越野輪胎起重機前橋的幾何建型，主要零部件包括橋殼、轉向節、主銷、半軸套管等。根據有限元計算要求對其結構進行幾何清理，在忽略對力學性能影響較小的沉孔、凸臺、圓孔和工藝等結構的前提下，盡量保留更多重要特征。

1.2 結構離散

利用有限元前處理軟件HyperMesh對越野輪胎起重機前橋進行結構離散。為了提高計算精度，對涉及接觸的部分用六面體網格劃分［3］，五面體網格過渡，其余部分采用四面體網格劃分。由于橋殼與主銷是曲面接觸，為保證橋殼計算模型有較好的收斂性，橋殼與主銷接觸處單元節點均需要對齊。有限元模型共有796 422個實體單元，212 571個節點。采用剛性連接模擬主銷、半軸套管和轉向節之間的螺栓連接，梁單元模擬推力桿。有限元模型見圖1。

圖1 越野輪胎起重機前橋有限元模型

1.3 材料屬性的設置

主銷材料為20CrMnTi合金鋼，襯套材料為QAl9－4鋁青銅，橋殼、轉向節等其余部件材料為ZG40Cr，材料屬性見表1。

表1 材料屬性

用真實應變和真實應力來定義材料的塑性［4］，其數值可由以下公式求得：

式(1)、(2)中：ε表示真實應變;εnom表示名義應變;σ表示真實應變;σnom表示名義應力。

主銷所用材料(20CrMnTi)的真實應力—塑性應變曲線見圖2。當應力超過屈服極限835 MPa時，材料發生塑性變形。應力達到抗拉極限1 080 MPa時，材料開始進入局部變形階段，持續變形就會斷裂。

圖2 材料真實應力－塑性應變曲線

2 最大側向力行駛工況強度分析

某企業越野輪胎起重機在做最大側向力行駛工況試驗時，前橋主銷出現了斷裂，如圖3所示。

圖3 主銷在試驗場的斷裂情況

2.1 最大側向力行駛工況邊界條件

在汽車滿載、高速、急轉彎時，汽車在質心處有相當大的離心力。當汽車所承受的側向力剛好達到地面給輪胎的側向附著力時，汽車處于側滑臨界狀態，側向力一旦超過側向附著力，汽車將發生側滑。根據QC/T533—1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》的規定［5］，驅動橋側滑方向一側的車輪承擔全部載荷的極端情況時，車橋最大側向力行駛工況受力分析如圖4所示。G2表示左側車輪承受的地面垂向反力，F1f表示側向反力。

圖4 最大側向力行駛工況受力

汽車滿載時，最大側向力行駛工況加載理論公式如表2所示。選擇約束左鋼板彈簧座處Y、Z向移動和X向轉動，右鋼板彈簧座處X、Y、Z向移動和X向轉動。

表2 極限轉向工況加載理論公式

越野輪胎起重機最大側向力行駛工況下，主銷和橋殼、轉向節和橋殼之間需要考慮接觸非線性，摩擦因數為0.12。有限元模型最大側向力行駛工況邊界條件如圖5所示。

圖5 前橋橋殼最大側向力行駛工況邊界條件

2.2 計算結果

接觸問題是一種典型的邊界條件高度非線性問題，接觸不能在計算之初就全部給出，而是在計算過程中逐步確定，2個接觸物體之間的接觸面積和壓力分布都會隨外載荷變化［6］。本文通過Newton-Raphson算法求解出最大側向力行駛工況下主銷的最大等效應力為692.5 MPa，出現在主銷根部，如圖6所示。

圖6 主銷的應力云圖

3 配合公差對前橋的受力影響

3.1 間隙配合

在工廠實際生產過程中，橋殼與主銷、橋殼與轉向節在有接觸的地方是采用間隙配合，上文并沒有考慮配合公差對分析結果的影響。結合試驗場和上文有限元分析結果，本節主要對最大側向力行駛工況下不同配合公差對主銷的受力影響進行分析。運用上文建立的前橋最大側向力行駛工況的有限元模型，根據前橋裝配的實際情況，對主銷、轉向節和橋殼在接觸的地方定義不同的間隙量，進行強度計算。

3.2 計算結果

最大側向力行駛工況在不同的間隙量下，主銷最大應力結果見表3。可以看出：配合公差對主銷應力的影響較大，隨著接觸間隙量的增加，主銷在最大側向力行駛工況作用下的最大等效應力和最大主應力也隨之增加，特別在主銷與橋殼間隙量為0.1 mm，轉向節與橋殼間隙量為0.1 mm時，主銷已經達到了材料合金鋼的屈服極限和抗拉極限。

表3 配合公差對主銷應力的影響

根據實際情況恰當地選擇零件的加工精度，對車橋的加工成本有著不可忽視的意義。上述分析結果中，當兩個間隙量都為0.1 mm時主銷就會出現斷裂。在實際裝配車橋時間隙量會更大，企業不能提高加工成本，只能通過改進模型滿足強度要求。

4 改進方案及分析結果

4.1 改進方案1

結合在試驗場的實際情況和有限元分析結果，改進越野輪胎起重機主銷和轉向節，增加主銷在轉向節連接處的直徑，相應增加轉向節主銷孔的直徑，在主銷上做1個凸臺并把釘帽做成長方體。圖7為改進前后的主銷模型。

圖7 改進前后的主銷模型

改進后直接加大接觸處的間隙量，得出結果如表4所示。可以看出配合公差對主銷應力的影響較小，但是最大應力依然較大，需要繼續改進主銷結構。

表4 改進方案配合公差對主銷應力的影響

4.2 改進方案2

通過對方案1的改進，配合公差對主銷應力的影響較小，只是主銷的最大應力依然較大。根據經驗本次增加主銷圓柱的直徑，使主銷滿足強度要求，并相應增加主銷上凸臺直徑和與主銷裝配孔的直徑。

設定主銷和橋殼的間隙量為0.15 mm，轉向節和橋殼的間隙量為0.15 mm。得出最大側向力行駛工況下主銷的最大等效應力為837 MPa，出現在螺栓連接處，主要是剛性連接引起應力較大，下主銷臺階處最大等效應力為296 MPa，如圖8所示，滿足強度要求。

圖8 主銷的應力云圖

4.3 結果分析

改進方案1中，主銷上添加了1個凸臺，雖然沒能減小主銷的受力情況，但是很好地降低了配合公差對分析結果的影響，說明凸臺的作用是減小配合公差的靈敏度。改進方案2在改進方案1的基礎上，增加主銷圓柱的總體直徑，減小了主銷的最大應力。經過兩次方案改進，使該模型達到強度要求。

5 結束語

與傳統強度分析有所不同，本文考慮了邊界條件的非線性問題。為了對越野輪胎起重機最大側向力行駛工況有效準確地模擬，進一步研究了配合公差對受力結果的影響，但接觸問題到目前為止還沒有理論解給出精確的答案［7］。數值解能十分接近實際情況，在產品設計之初，對設計模型進行非線性數值模擬能提高產品的可靠性和安全性的精度要求。

本研究對主銷進行了2次改進。改進方案1降低了配合公差對分析結果的影響;改進方案2減小了主銷的受力情況。兩種改進方案結合，使主銷滿足強度要求。2種改進方案可以推廣到其他車輛的車橋設計和研究中，能減少研究時間，節約開發成本。

［1］ 陳家瑞.汽車構造［M］.5版.北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 原薇.基于可靠性的車橋結構多學科設計優化［D］.大連：大連理工大學，2005.

［3］ 莊茁.ABAQUS非線性有限元分析與實例［M］.北京：科學出版社，2005.

［4］ 陳峰，狄勤豐.雙臺肩鉆桿絲扣粘扣失效的力學機制探究［J］.應用力學學報，2012(6)：730.

［5］ 劉晉霞.鉸接式自卸車操縱穩定性［J］.北京科技大學學報，2007.

［6］ ABAQUS6.11有限元分析從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［7］ 雷剛，孫永剛.基于接觸分析的自卸車驅動橋殼過盈公差分析［C］//2009年全國機械可靠性技術學術交流會暨第四屆可靠性工程分會成立大會論文集.北京：［出版者不詳］，2009.

Structure Optimization of Kingpin on the Front Bridge
Based on the Tolerance Match Analyses

LEI Gang1，HU Peng1，YANG Shu-song1，DENG Hong-hui2
(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China;
2.CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.Ltd.，Zhuzhou 412000，China)

The research subject of this thesis is based upon the front axle of the wheel crane，analyzing its strength.Considering the nonlinearity of boundary condition，the influence of tolerance match on stresses result is also proposed on the grounds of traditional strength analysis.The kingpin of the front axle has finally been gotten optimum design，which makes sure that the strength is able to fulfill our requirement.Furthermore，the approach used in this thesis would be a salutary lesson for developing a similar type of product in enterprise.

FEA;nonlinearity;tolerance match

U463

A

1674－8425(2014)04－0010－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.003

2013－10－22

重慶市基礎與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA60005);重慶市教委科學技術研究項目(KJ130817)

雷剛(1967—)，男，四川仁壽人，博士，教授，主要從事計算力學及車輛工程方面的研究。

雷剛，胡鵬，楊述松，等.基于公差配合分析的前橋主銷結構優化［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2014(4)：10 －14.

format：LEI Gang，HU Peng，YANG Shu-song，et al.Structure Optimization of Kingpin on the Front Bridge Based on the Tolerance Match Analyses［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：10 －14.

(責任編輯 劉 舸)