基于有限元法汽車控制臂軸套套管強度研究

李宗澤，李珊珊，任國寶

(長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

0 引言

汽車行駛安全性能是汽車設(shè)計的重要性能指標。汽車控制臂是路面與懸架的直接傳力部件，然而市場反饋及整車耐久性試驗過程中均出現(xiàn)過控制臂安裝軸套套管開裂的問題。因控制臂軸套裝配工藝的復(fù)雜性，設(shè)計之初無法利用CAE手段進行分析驗證。

控制臂與軸套套管采取焊接連接形式且軸套與套管采用過盈配合安裝。控制臂與套管焊接如圖1所示。

圖1 某車型控制臂軸套結(jié)構(gòu)示意

此類軸套套管由于受到過盈配合以及焊接殘余應(yīng)力的效應(yīng)，常會在焊接接頭位置出現(xiàn)開裂。因各車型軸套與套管過盈量、套管厚度以及控制臂與軸套套管的焊接角度存在差異，所以有必要針對上述差異對軸套套管強度的影響因素進行研究，為后期設(shè)計工作或失效案例優(yōu)化改善方案提供依據(jù)。

1 軸套套管強度分析現(xiàn)狀

目前行業(yè)內(nèi)針對軸套套管均無有效的仿真分析方法，只能依靠經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)庫來設(shè)計軸套套管的厚度、過盈量以及包角。實際上軸套套管的仿真分析模型也參與強度的計算，但是只作為力的傳遞途徑，而軸套套管的仿真精度無從考察，以下是幾種行業(yè)內(nèi)常用的仿真分析方法。

方法一，采用剛性單元將套管內(nèi)表面所有單元節(jié)點進行耦合，耦合主點移至軸套彈性中心位置，將載荷加載至軸套彈性中心，如圖2(a)、(b)所示。

圖2 方法一的分析模型和分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知，由于軸套套管內(nèi)表面直接和剛性單元連接，表面完全剛性化，軸套套管表面幾乎無應(yīng)力。此分析結(jié)果與套管實際受力不符，仿真分析結(jié)果失真。

方法二，考慮到軸套內(nèi)硫化橡膠作為傳力介質(zhì)的作用，將軸套套管的內(nèi)表面偏置相應(yīng)厚度的橡膠層，橡膠單元外表面節(jié)點與軸套套管節(jié)點耦合，同時采用剛性對橡膠內(nèi)表面的所有節(jié)點進行耦合處理，如圖3(a)、(b)所示。

圖3 方法二的分析模型和分析結(jié)果

模擬軸套的橡膠單元采用超彈性單元“Hypere-Eastic”，本構(gòu)方程采用常用的“M-R”參數(shù)進行仿真分析。

由于控制臂軸套實際結(jié)構(gòu)軸套與套管采用過盈配合，偏置橡膠單元不能考慮過盈量影響，并且由分析結(jié)果可知：應(yīng)力分布失真，最大應(yīng)力位移與開裂位置不符。

方法三，建立軸套內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并將套管和內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立綁定“TIE”關(guān)系，如圖4(a)、(b)所示。

圖4 方法三的分析模型和分析結(jié)果

由于軸套套管與軸套綁定作用，此種方法未考慮軸套套管與軸套的過盈關(guān)系，計算出實際應(yīng)力不包含因過盈而產(chǎn)生的應(yīng)力，并且因綁定的關(guān)系，會導(dǎo)致套管剛度增大，分析所得的應(yīng)力結(jié)果與實際開裂位置仍然不相符。

因為軸套套管工藝的復(fù)雜性，上述分析方法均無法使失效問題仿真再現(xiàn)。基于上述問題，在方法三的基礎(chǔ)上進行改進，形成了方法四。

方法四，將方法三中的套管與軸套的綁定關(guān)系調(diào)整為過盈關(guān)系，即在ABAQUS中的接觸條件中設(shè)置“CLEARANCE”。按照實際狀態(tài)建立橡膠結(jié)構(gòu)軸套真實結(jié)構(gòu)模型，在軸套的彈性中心施加載荷，進行軸套套管的仿真分析，分析模型如圖5(a)、(b)所示。

圖5 方法四的分析模型和分析結(jié)果

由分析結(jié)果可知：最大應(yīng)力位置位于焊縫末端，并且根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析，此處為結(jié)構(gòu)風(fēng)險區(qū)域，結(jié)合失效案例分析，軸套套管開裂區(qū)域均發(fā)生在焊縫處。由此，可判定此種分析方法與軸套實際應(yīng)力分布較為一致。

針對分析方法進行了詳細的說明與嘗試，并確定方法四為合理的仿真分析方法，能夠有效地將失效問題仿真再現(xiàn)。

2 軸套套管強度的影響因素研究

2.1 軸套套管單一變量對應(yīng)力的影響研究

軸套套管強度的影響因素有多種，主要有控制臂與軸套套管的焊接形式及包角、軸套套管的厚度及材料、軸套與套管的過盈量、軸套受到的外載等因素。

而當采用單一變量的變化研究軸套套管應(yīng)力變化時，呈現(xiàn)圖6所示的問題：隨著過盈量單一變量的變化，軸套套管的最大應(yīng)力值無明顯變化。主要原因是當材料在塑性段內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系不再呈線性變化，而是應(yīng)變的變化速率要遠高于應(yīng)力，如圖7所示。

圖6 過盈量變化導(dǎo)致的軸套套管應(yīng)力分析結(jié)果

圖7 軸套套管材質(zhì)的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

針對上述問題，如果采用應(yīng)力評價軸套套管的強度性能不太合理。由于軸套在壓裝過程中勢必會引起套管發(fā)生塑性變形，而由材料拉伸曲線可知，應(yīng)變的變化要明顯高于應(yīng)力，因此，采用應(yīng)變且以等效塑性應(yīng)變來評價軸套套管的強度性能最佳。

2.2 軸套套管強度性能(等效塑性應(yīng)變)影響因素研究

針對影響軸套管強度的影響因素，本文作者選取焊縫包角α、過盈量Δ、套管壁厚h，對軸套管等效塑性應(yīng)變(以下簡稱PEEQ)的變化進行分析。因軸套套管一般采用35無縫鋼管切割而成，所以不再針對材質(zhì)的調(diào)整對軸套套管強度性能的影響進行研究。以某車型的控制臂軸套套管為例，對上述3項因素逐一進行分析。

(1)焊縫包角α與套管等效塑性應(yīng)變(PEEQ)關(guān)系 ：

焊縫包角主要是控制臂與軸套套管焊接區(qū)域所形成的夾角，焊縫包角具體示意如圖8所示。

圖8 焊縫包角變化示意

通過改變焊縫包角(設(shè)定包角的變化步長為10°)，可得到軸套套管等效塑性應(yīng)變與焊縫包角變化曲線如圖9所示。

說明：加載前，表示在無外載荷的情況下，考慮包角的變化對軸套套管PEEQ的影響；加載后，表示施加外載荷后，考慮包角的變化對軸套套管PEEQ的影響；差值，表示加載后軸套套管的PEEQ減去加載前的數(shù)據(jù)。差值表征了外載與包角之間的關(guān)系。

圖9 焊縫包角與等效塑性應(yīng)變關(guān)系

由上述3條曲線可得出如下結(jié)論：①當焊縫包角逐漸增大時，套管的等效塑性應(yīng)變量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢；②焊縫包角小于180°時，隨焊縫包角增加，載荷引起的等效塑性應(yīng)變逐漸減小，直至焊縫包角大于180°，套管的等效塑性應(yīng)變隨外界載荷變化不明顯；③當焊縫包角大于230°時，軸套套管的PEEQ逐漸下降，由此可知軸套的焊縫包角設(shè)計在180°～230°之間為最佳，此區(qū)間軸套的拔脫力最大。

(2)過盈量Δ與套管等效塑性應(yīng)變(PEEQ)關(guān)系

過盈量大小直接影響軸套套管的初始應(yīng)力，因此，需考察軸套與套管過盈量對套管應(yīng)變影響。過盈量變化范圍為0.04～1 mm，步長為0.04 mm。整理套管等效塑性應(yīng)變，繪制隨過盈量的變化曲線如圖10所示。

圖10 過盈量與等效塑性應(yīng)變關(guān)系

由等效塑性應(yīng)變隨過盈量的變化曲線可知：①當過盈量Δ<0.2 mm，套管加載前后均未產(chǎn)生等效塑性應(yīng)變，套管對于軸套的抱緊力相對較小，不利于軸套使用性能； ②當過盈量0.2≤Δ≤ 0.28 mm，載荷引起的等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)大幅度增長，外界載荷對套管變形影響顯著，若受到車輛行駛的交變載荷影響，套管易產(chǎn)生疲勞失效；③當過盈量Δ>0.28 mm，隨著過盈量增大，應(yīng)變差值減小，外載對于套管的變形影響減小，因此，套管壓裝后產(chǎn)生一定量的塑性應(yīng)變，可以提高套管對外界載荷的抵抗能力。

(3)套管壁厚h與套管等效塑性應(yīng)變(PEEQ)關(guān)系

軸套套管壁厚對于抵抗外界破壞能力具有重要的作用，因此，針對軸套套管壁厚與應(yīng)變的關(guān)系進行分析。壁厚變化范圍為4.0～6.0 mm，步長為0.2 mm。整理套管等效塑性應(yīng)變，可得壁厚與等效塑性應(yīng)變的變化曲線如圖11所示。

圖11 壁厚與等效塑性應(yīng)變關(guān)系

由套管等效塑性應(yīng)變隨壁厚的變化關(guān)系可知：隨著套管壁厚的增加，套管的應(yīng)變量逐漸減小，直至不再產(chǎn)生等效塑性應(yīng)變，套管的強度性能得到明顯增強。

3 結(jié)論

系統(tǒng)介紹了汽車控制臂軸套套管強度分析的基本方法，以及影響軸套套管強度的因素，并針對這些影響因素依次進行分析，總結(jié)可得以下結(jié)論：

(1)增大控制臂與套管的焊縫角度有利于提高套管強度性能，但是當焊縫包角大于180°時，增大焊縫包角對于提升套管強度性能無明顯作用。

(2)過盈量較小時，套管對于軸套抱緊力較小，軸套在使用過程可能產(chǎn)生脫離套管或繞軸線轉(zhuǎn)動；隨著過盈量的增加，應(yīng)變差值減小，外界載荷載對于套管的變形影響減小，因此，套管壓裝后產(chǎn)生的塑性應(yīng)變可以提高套管對外界載荷的抵抗能力。

(3)套管壁厚越大，抵抗外界載荷變化的能力越強，套管的強度性能越好。

文中只針對控制臂軸套套管進行受力研究，其他位置的軸套，如動力總成懸置、車架懸置、副車架安裝點懸置，可以借鑒此方法進行研究。