硬化層對前軸性能的影響研究*

劉志恩 楊良凱 莫麗蓉

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協同創新中心2) 武漢 430070)

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硬化層對前軸性能的影響研究*

劉志恩1,2)楊良凱1,2)莫麗蓉1,2)

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協同創新中心2)武漢 430070)

通過對前橋總成進行裝配，以及有限元模型離散，對各部件之間的連接，以及主銷、球頭銷、輪胎的簡化，分析了不同硬化層厚度的車橋系統在3種典型工況下的疲勞強度，得到硬化層與前軸疲勞強度之間的關系.

硬化層；前軸；疲勞強度

0 引 言

重型汽車前軸是汽車前橋總成的重要構件之一，又是汽車整體支撐的主要構件.它通過鋼板彈簧與車架相聯，兩側轉向節上安裝車輪，用來在車架與車輪之間傳遞垂向力、縱向力和側向力，除此之外，前軸還要承受和傳遞制動時的制動力矩以及轉彎時的側向力矩.因此，要求前軸應該具有足夠的強度和剛度，以及良好的動態性能[1].趙凱等[2]在前軸應力大小滿足要求的前提下，以質量最小化為目的對前軸進行尺寸和形貌的優化.于珊珊等[3]分析了客車底板前軸在3種典型工況下的應力場和位移分布.孔振海等[4]在分析前橋在4種典型工況下的最大應力的前提下，對前橋的疲勞壽命進行預測.上述文獻均只分析了前軸在典型工況下的應力場與位移分布，對于前軸表面硬化層的研究幾乎沒有.

前軸通常采用42CrMo鋼制造，因為前軸在使用過程中既要承受垂直平面的交變彎曲疲勞，又要承受一定的沖擊載荷，其惡劣的工作環境決定了其熱處理技術質量的高要求.因此，前軸不但要具備較高的抗彎曲疲勞性能，而且要有較好的強韌性配合.陳希原[5]對前軸鍛件進行了鍛后余熱淬火熱處理工藝試驗研究與批量成產應用，提高了前軸的強韌性和疲勞壽命，降低了生產成本，縮短了生產周期.王昌凱等[6]對前軸的硬度、金相組織、力學性能和斷口等進行分析，發現造成前軸斷裂的原因.于連新[7]對重型汽車前軸的熱處理工藝的實驗以及金相組織進行分析，制定了合理的熱處理工藝.上述文獻均對重型汽車前軸的熱處理工藝進行了探討，但是對于熱處理工藝與前軸疲勞強度之間的關系的研究幾乎沒有.

在前軸熱處理工藝過程中，其表面會生成一層硬化層，該硬化層的厚度和剛度對前軸各性能產生影響.因此，對硬化層進行研究，對于提高前軸的疲勞強度和疲勞壽命十分有利.

傳統的計算過程一般先對前軸進行受力分析，然后將輪胎接地點的受力轉化到前軸兩端主銷孔中心或板簧孔中心來計算前軸的受力狀況，計算過程復雜，并且忽略了前橋各個零部件之間的裝配關系，以及輪胎的剛度等，計算結果和實際情況相差較大.文中將車橋的整個系統裝配起來，考慮各部件之間的裝配關系，直接在輪胎接地點進行載荷的加載，計算過程直接明了且與實際過程更加吻合.

1 前橋有限元模型

1.1 前橋有限元模型的建立

車橋系統由以下幾部分組成：前軸、轉向節、直拉桿臂，轉向橫拉桿，以及橫拉桿臂.各部件材料均為42CrMo，密度ρ=7.9×103kg/m3,彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，材料屈服極限σy=930 MPa.前軸相關參數，見表1.

表1 某重型商用車前橋相關參數

采用Hypermesh作為前處理軟件對車橋系統進行有限元離散，對硬化層分別離散成0.5，1，1.5 mm 3種不同厚度的網格，主要采用C3D10單元，部分采用C3D8單元，單元總數約為163 W個.

1.2 前橋有限元模型連接關系的處理

將有限元模型導入Abaqus，根據各零部件的相互作用,定義其運動關系.主要包括螺栓的處理、主銷的處理以及主銷與轉向節、前軸之間的運動關系的處理、球頭銷的處理、輪胎的處理等.

轉向節與橫拉桿臂、直拉桿臂之間的連接為螺栓連接，采用MPC梁單元連接螺栓安裝孔內表面；主銷處分別建立局部坐標系，前軸主銷孔中心、轉向節上下主銷孔中心與各自主銷孔內表面的耦合連接關系，并釋放繞主銷軸線的轉動自由度，采用MPC梁單元分別連接前軸主銷孔中心與轉向節上下孔中心；橫拉桿臂與橫拉桿通過球頭銷連接，建立球頭銷中心與球頭銷罩的運動耦合關系，釋放其3個方向的轉動自由度，并采用MPC梁單元連接球頭銷中心與球頭銷末端中心；用集中質量代替輪胎(包括制動器、輪轂等)，施加在輪胎的幾何中心，并建立集中質量點與轉向節軸線段的運動耦合關系，釋放繞轉向節軸線的轉動自由度，在集中質量點下端建立3個點來模擬輪胎接地點，并用MPC梁單元與集中質量點連接，同時用6個接地彈簧來模擬輪胎的剛度.

1.3 前橋有限元模型驗證

轉向節、橫向拉桿、直拉桿、方向機等組成轉向系統.左右轉向節同時繞Z軸順時針旋轉，前軸保持不動，與整車在地面上車輪向有轉動時一致，達到了轉向的效果，驗證了模型的準確性.

2 前橋受力分析

前橋的受力分析主要考慮3種工況：最大垂直載荷工況;最大制動力工況;側滑工況.從方向上來看，前橋的受力基本分為垂直力、縱向力和側向力.根據汽車在行駛過程中的受力分析可知：最大垂直載荷工況為汽車越過不平路面時的受力工況，只受垂直力的作用；最大制動力工況為汽車緊急制動時的受力工況，主要受到垂直力和縱向力的作用；側滑工況為汽車急速轉彎發生側滑時的受力工況，主要受到垂直力和側向力的作用.

1) 最大垂直載荷工況 此工況下前橋僅受垂直力的作用，分別作用在左右2個車輪的接地點，大小為

ZL=ZR=1/2KdG

(1)

式中：Kd為安全系數，取3.5；G為前軸滿載軸荷.

2) 最大制動力工況 此工況下前橋受到垂直力和縱向力的組合作用，同時轉向節還收到制動器提供的制動力矩的作用.垂直力和縱向力作用在輪胎接地點，制動器的制動力矩分別作用在轉向節上的制動轂安裝孔處.垂直力大小為

(2)

式中：m′為制動時的質量轉移系數,m′=1+(hg×φ)/b.其中：hg為整車滿載質心高度；φ為輪胎與路面間的附著系數，制動時取0.6；b為整車質心到后橋中心線的水平距離[8].

縱向制動力為

(3)

制動器制動力矩為

(4)

式中：M制為制動器的最大制動力矩，取15 000 N·m.

3) 側滑工況 此工況為汽車急速轉彎時的受力工況，假設汽車向右急轉彎，當汽車將要發生側滑時，右輪不受任何里，故左輪承受垂直力和側向力的共同作用，大小為

(5)

(6)

(7)

式中：B為前輪距；hg為滿載質心高度；φ′為側滑系數.

根據上述受力分析，最終計算得出各工況下的載荷加載情況,見表2.

表2 各工況下載荷

3 計算結果及分析

分別建立0，0.5，1，1.5 mm厚度硬化層的車橋系統模型，根據受力分析的工況進行約束載荷加載：載荷加載在輪胎接地點以及轉向節制動轂安裝孔；約束施加在左右板簧孔中心，左端約束X,Y,Z3個方向的平動,以及Y方向的轉動，右端約束X,Z方向的平動以及Y方向的轉動.各工況的計算結果見表3.各工況下前軸的應力云圖和位移云圖見圖1～6.

最大垂直載荷工況下的最大應力出現在0.5 mm

表3 3種工況下前軸的最大應力和最大位移

圖1 最大垂直載荷工況應力云圖

圖2 最大垂直載荷工況位移云圖

圖3 緊急制動工況應力云圖

圖4 緊急制動工況位移云圖

圖5 側滑工況應力云圖

圖6 側滑工況位移云圖

硬化層厚度條件下，大小為402.45 MPa，出現在前軸中間工字梁底部；最大位移為10.59 mm，出現在前軸左右兩端主銷孔處，而且在0.5 mm硬化層厚度條件下，前軸右端軸頸與主銷孔連接處下端出現了應力集中，加大了此處出現疲勞斷裂的風險.

緊急制動工況下的最大應力出現在0.5 mm硬化層厚度條件下，大小為364.86 MPa，出現在前軸中部工字梁上端靠近板簧面處；最大位移值6.37 mm，出現在前軸兩端主銷孔處.

側滑工況下的最大應力出現在0.5 mm硬化層厚度條件下，大小為307.39 MPa，出現在工字梁中部鏤空處；最大位移出現在無硬化層條件下，大小為3.94 mm，出現在前軸左端主銷孔處.

對比0.5，1，1.5 mm厚度硬化層的計算結果可知，隨著硬化層厚度的增加，前軸的應力和位移值均隨之降低，說明硬化層的厚度對前軸的疲勞強度有較大影響；但是在0.5 mm硬化層厚度條件下，其應力值均比沒有硬化層的前軸大，說明合適的硬化層才能有效增大前軸的疲勞強度；在緊急制動工況下，0.5，1 mm硬化層厚度條件下的應力位移值均大于沒有硬化層的值，且1.5 mm硬化層厚度條件下的應力位移值與沒有硬化層的幾乎沒有差別，說明硬化層和前軸的疲勞強度在緊急制動工況下呈負相關，且這種相關性隨著硬化層厚度的增加逐漸減弱.

4 結 論

1) 建立了不同硬化層厚度下的車橋系統有限元模型并對有限元模型的準確性進行了驗證.

2) 硬化層對于提高前軸疲勞強度有顯著的影響.

3) 只有合適的硬化層厚度才能有效提高前軸疲勞強度，否則會增大前軸出現疲勞斷裂的風險.

4) 硬化層和前軸的疲勞強度在緊急制動工況下呈負相關，且這種相關性隨著厚度的增加逐漸減弱.

[1]朱帥，錢立軍.基于ANSYS的前橋強度分析[J].機械研究與應用，2007，4(2):44-45.

[2]趙凱，曾億山，牛家忠.基于ANSYS Workbench的前軸分析和優化設計[J].機械工程與自動化，2015(2)：55-58.

[3]于珊珊，穆存遠，彭雙蓮.基于CATIA的客車低底板前軸有限元分析[J].科技創新論壇，2012(13)：13-15.

[4]孔振海，王良模.基于Hyperworks的某輕型汽車前橋有限元分析及疲勞壽命預測[J].機械設計與制造，2013(2)：97-100.

[5]陳希原.42CrMo汽車前軸鍛熱淬火工藝[J].熱處理工藝,2013(1):92-96.

[6]王昌凱，葛寧，蘇洪池，等.前軸疲勞斷裂分析[J].工藝與裝備，2010(4)：63-66.

[7]于連新.汽車前軸熱處理工藝研究[J].煤炭技術，2008(9)：14-17.

[8]張保.載貨汽車前橋總成設計及受力分析[J].公路與汽運，2012(5)：11-14.

The Research of the Influence of the Hardening Layer on the Front Axle

LIU Zhi’en1,2)YANG Liangkai1,2)MO Lirong1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

This paper calculates the fatigue strength of vehicle-bridge system under three typical conditions, by assembling the front axle and discretization of the finite element model based on Hypemesh.in Abaques. The connecting components, swizzle and tire are simplified. In this paper, the process of calculation is straightforward, and finally the relationship between the hardening layer and the fatigue strength of the front axle is obtained.

hardening layer; front axle; fatigue strength

2016-08-23

*國家自然科學基金項目資助(51575410)

U469.21 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.006

劉志恩(1977- )：男,博士，副教授，主要研究領域為汽車CAD/CAE