基于Abaqus的轉向節轉向球銷裝配變形的有限元分析

劉杰 郭聰蘭

摘 要：針對某車型轉向球銷與轉向節裝配后球銷軸向位移過大問題，利用Abaqus/Explicit建立轉向節與球銷的顯式積分有限元分析模型。在不同的軸向力與錐孔面摩擦系數條件下，通過對轉向節錐孔面的Mises平均應力分布情況、塑性變形量及表面正壓力分布進行分析，得出影響塑性變形的因素。

關鍵詞：Abaqus；應力；有限元分析；塑性變形；摩擦系數

1 概述

在汽車轉向節與轉向球銷實際裝配過程中，由于球銷固定螺母擰緊力矩過大或配合面摩擦系數設計不合理，裝配后球銷沿轉向節錐孔方向位移過大，導致球銷鎖緊軸無法鎖緊。因此，在不同軸向預緊力及摩擦系數條件下，了解球銷與轉向節錐孔面的應力分布、表面壓力、塑性變形情況是合理設計該產品的有效途徑。

文章采用Abaqus/Explicit建立轉向節與轉向球銷裝配的顯示積分有限元模型，模擬不同球銷預緊力與不同摩擦系數條件下轉向節錐面塑性變化情況。

2 轉向節有限元模型的建立

有限元模型在Abaqus中進行前處理，去除過小的倒角，由于考察部位位于轉向節臂錐孔與球銷接觸面位置，而且只分析單一軸向力作用下錐孔的拉大行為，故對某車型轉向節模型進行簡化，簡化前后模型如圖1所示。在球銷端面施加軸向作用力模擬螺母擰緊過程中施加在球銷上的作用力，在約束部位施加位移約束模擬螺母對轉向節臂的約束作用。

3 網格劃分

考慮模型簡化后的對稱性以及面接觸等因素，轉向球銷與轉向節臂均采用六面體一階單元進行網格劃分[1-3]，單元數量5053，節點數量6071。

4 材料屬性

轉向球銷材料為40Cr，轉向節臂材料為QT450，其材料特性均按照國家標準要求設定。

5 邊界條件

轉向球銷端面受到均布載荷作用，轉向球銷與轉向節臂接觸部位建立面接觸條件，在螺母與轉向節臂接觸部位設置全固定位移約束。軸向力分別施加1.9KN、2.1KN、2.3KN、2.5KN、2.722KN五組進行施加；接觸面屬性設定0.05、0.1、0.15、0.2四組摩擦系數μ進行對比分析（如圖2所示）。

6 提交運算

在ANSA中對簡化模型進行前處理，定義材料屬性，網格劃分和邊界條件的設定；在Abaqus中定義接觸面屬性，設定分析步長，以及控制結果輸出選項；在origin中進行數據曲線繪制。

7 分析結果

（1）軸向力F=2.722KN，摩擦系數μ=0.05與μ=0.2，最大PEEQ（等效塑性應變）約相差25倍。最大CPRESS（面正壓力）相差約543N。（2）軸向力F=2.3KN，在μ=0.2的條件下，材料內未發生塑性變形。摩擦系數μ=0.05與μ=0.2條件下，最大CPRESS（正壓力）相差486N。（3）軸向力F=1.9KN，在μ=0.15與μ=0.2條件下，錐孔內未發生塑性變形，摩擦系數μ=0.05與μ=0.2條件下，最大CPRESS（正壓力）相差443N。

8 結果分析

（1）在軸向力一定的條件下，考察不同摩擦系數對轉向節臂錐孔的影響。a.隨著摩擦系數增大，轉向節臂錐孔面上所受的最大正壓力大幅度降低，其變化趨勢基本相同。軸向力F=2.722KN時，最大正壓力相差543N；軸向力F=1.9KN時，最大正壓力相差443N。b.球銷位移隨著摩擦系數增大而減小，當μ<0.1時，軸向位移與摩擦系數成反比例關系，且隨著摩擦系數增大急劇遞減。不同軸向力條件下，位移變化趨勢基本相同。c.轉向節臂錐孔內部最大等效塑性應變PEEQ變化趨勢與位移變化趨勢基本相同，在當μ<0.1時，等效塑性應變PEEQ與摩擦系數呈反比例線性遞減的關系；μ>0.1時，變化趨勢趨于平緩。

（2）在摩擦系數一定的條件下，考察軸向力對轉向節臂錐孔的影響。a.隨著軸向力的增大，面最大正應力也增大，摩擦系數越小，增大越快。b.μ>0.1時，球銷位移與軸向力大小幾乎呈正比例線性遞增的關系；μ<0.1時，球銷位移與軸力大小呈指數遞增的關系。c.在不同摩擦系數條件下，在軸向力2.3KN附近，錐孔應力幾乎匯聚于一點；當F<2.3KN時，摩擦系數較小反而平均Mises應力較大；當F>2.3KN時，摩擦系數較大平均Mises應力也較大。d.軸向力大小對錐孔塑性應變的影響等同于軸向力對球銷位移的影響，即μ>0.1時，軸向力與等效塑性應變呈正比例線性遞增的關系；μ<0.1時，軸向力與等效塑性應變呈指數遞增的關系。

9 結束語

軸向力一定，球銷位移隨著摩擦系數的增大而減小；摩擦系數一定時，球銷位移隨著軸向力的增大而增大，特別是摩擦系數較小時，位移與軸向力呈指數增長關系；錐孔內等效塑性應變變化趨勢與位移變化趨勢基本相同。軸向力一定，錐孔面上受到的正壓力隨著摩擦系數的增大而減小；摩擦系數一定，隨著軸向力的增大而增大。軸向力一定，在μ=0.1時，平均Mises應力取到最小值；摩擦系數一定，在軸向力F=23000N時平均應力匯聚于一點，即在μ=0.1，F=23000時，得到最優工況。大部分工況條件下，轉向節臂錐孔內應力已經超出材料的屈服應力，且發生大面積塑性變形，但塑性應變PEEQ小于目標限制1%，滿足強度要求；而在F=2.722KN，μ=0.05惡劣工況下，塑性應變PEEQ最大值為1.1%，大于目標限制，材料出現壓潰現象，不滿足強度要求。

建議：考慮降低錐形孔內的塑性變形量，球銷的軸向位移及錐孔內的表面壓力，可以適當增大轉向球銷與轉向節臂接觸面的摩擦系數；同時也可提高轉向節臂錐孔表面梯度最大處的強度，抵抗塑性變形的產生。

參考文獻

[1]莊茁，張帆，岑松，等. Abaqus非線性有限元分析與實例[M].北京：科學出版社，2005.

[2]石亦平，周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]趙騰倫，姚新軍. Abaqus6.6在機械工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2007.