某轉向外拉桿防塵罩設計仿真及性能研究

蘇澤鵬，焦學健，楊建強，楊 磊

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

轉向拉桿球頭銷是汽車轉向系統的關鍵部件，其強度、質量和可靠性直接影響汽車轉向的靈敏度以及開車的舒適度[1]，球銷防塵罩破裂是球銷失效的主要模式之一[2]。為了更好地研究某型號轉向外拉桿，本文利用Hyperwork中的Hypermesh模塊進行前處理，利用Lsdyna進行計算，對設計的球銷防塵罩進行工作過程中的動態強度分析[3]，同時對設計生產出的防塵罩進行泥水耐久試驗[4]，檢驗其是否滿足產品要求。

1 轉向外拉桿結構分析

轉向外拉桿總成主要包括外拉桿防塵罩、外拉桿球銷套、外拉桿球頭銷、外拉桿球銷座等部件[5]，如圖1所示。圖1中防塵罩與外拉桿球銷套緊固在一起，外拉桿球頭銷固定在外拉桿球銷座上，為球鉸連接，右端外拉桿球銷套與內拉桿球銷套為螺紋連接。球頭銷總成最常見的失效模式是球銷異常磨損松曠，導致這種失效的大部分原因是由于防塵罩的破損，泥水進入球頭銷總成中，使球銷及球銷座早期磨損松曠[6]。本文利用有限元分析軟件Hyperwork以及Lsdyna對防塵罩工作過程中的強度進行仿真分析，同時對防塵罩進行泥水耐久試驗檢驗其性能是否合格。

圖1 轉向外拉桿總成結構圖

2 防塵罩結構設計

為了使防塵罩具有良好的密封性和足夠的工作強度，設計了一款新型防塵罩。防塵罩頂部有槽孔，便于工件的夾裝與固定，上端面外輪廓略高于端面，增加防塵罩的防水性能，中間安裝球頭銷的孔處有多層波浪紋，既可以與球頭銷緊密貼合，又起到密封作用，防止滑落。底座有骨架支撐防塵罩，底座與球銷套之間采用壓力機壓緊，隨后涂上密封膠保證其密封性。側面壁采用不同厚度，上端厚下端薄，既滿足壓縮要求，又有足夠的強度。根據產品設計要求，防塵罩在工作狀態時，Y方向壓縮6 mm，球頭銷傾角0°～28.5°，壓向防塵罩一側，具體的防塵罩結構如圖2所示。

3 橡膠本構模型

防塵罩采用橡膠制成，橡膠是一種具有超彈性、粘彈性特質的材料，具有很好的延伸率。為了擬合橡膠的本構參數，本文選用Mooney-Rivlin模型來描述橡膠的本構。Mooney-Rivlin模型適合中小型變形情況，用它來定義不可壓縮橡膠材料時，泊松比要大于0.49，才能保證不可壓縮行為。描述橡膠應變能量的密度函數如下：

(1)

式(1)為常見的Mooney-Rivlin模型。式(1)中：U為應變能密度；C10、C01、D1為Mooney常數；I1、I2為Cauchy-Green應變不變量；對于不可壓縮橡膠材料，J取1。根據拉伸試驗最終確定Mooney-Rivlin常數，即C10=0.17，C01=0.80。

在Hypermesh中定義橡膠材料時，選用MATL27材料，只需定義泊松比、密度及C10、C01兩個常數便可以模擬橡膠本構模型。

4 轉向外拉桿前處理

首先在Solidworks中建立三維模型，為了方便計算防塵罩強度、減少計算時間，將模型簡化為4個部件：外拉桿球銷套、外拉桿球銷座、外拉桿球銷及防塵罩。將模型導入Hypermesh中進行網格劃分，賦予材料屬性，施加邊界條件，得到有限元模型[7]。該有限元模型有節點53 456個，單元224 559個，如圖3所示。

采用四面體網格對模型進行劃分，為了保證每個厚度方向上至少有3層網格，選用1 mm網格尺寸，這樣可以保證結果的精確性[8]。對模型賦予材料屬性，防塵罩材料為橡膠(密度1 830 kg/m3，泊松比為0.49)，選用Mooney-Rivlin模型來模擬橡膠的本構模型[9]；球頭銷材料為40Cr(密度7 800 kg/m3，泊松比為0.30，彈性模量為2.1×105MPa)，其余定義為剛體。

球頭銷與球銷座之間為球鉸連接[10]，在球頭中心點位置建立球鉸連接[11]，如圖4所示。

圖4 球頭銷球鉸示意圖

考慮到防塵罩在工作情況下的變形與裝配問題，需對其定義接觸關系。防塵罩與外拉桿球銷套通過壓力機壓緊，為緊固連接，采用Tied進行膠粘接觸模擬，忽略原始穿透。在球頭銷擺動過程中，防塵罩變形后會產生自接觸的情況，所以部件添加自接觸，動摩擦系數為0.02，靜摩擦系數為0.15。設定后的接觸設置見表1。

表1 接觸設置示意表

在邊界條件設置中，因為轉向外拉桿的防塵罩在實際安裝過程中處于壓縮狀態，所以在仿真模擬中，在防塵罩上方加一圓盤，定義一條位移曲線使其沿Y軸強制位移，使防塵罩沿Y軸負方向壓縮6 mm，處在壓縮狀態;球頭銷的極限角度為28.5°，使用拉力計對球頭銷彎曲時的受力進行測量，結果為20 N左右，因此在球頭銷上端施加20 N的力，定義一條力的曲線，方向與X軸平行，用來模擬球頭銷從初始位置擺動到28.5°的過程。圖5為防塵罩位移曲線圖，圖6為球頭銷擺動受力測試圖，圖7為球頭銷受力曲線圖。對底板進行全約束，邊界條件設定后的模型如圖8所示。定義計算時間為0.11 s，時間間隔為0.005 s，輸出d3plot文件，便于后處理結果的查看。

圖5 防塵罩位移曲線圖

圖6 球頭銷擺動受力測試圖

5 后處理分析

從Hypermesh中導出K文件，在Lsdyna中進行計算，可得到防塵罩的壓縮示意圖。圖9為防塵罩在Y向壓縮6 mm時的壓縮示意圖，圖10為球頭銷擺動角度圖。球頭銷單邊旋轉角度示意圖如圖11所示，由圖11可知，球頭銷單邊旋轉角度約為28.5°，符合要求。

圖10 球頭銷擺動角度示意圖

圖11 球頭銷單邊旋轉角度示意圖

圖12為防塵罩Mises應力示意圖。由圖12可知，最大應力發生在0.11 s時球頭銷與防塵罩接觸處，最大應力為4.82 MPa，橡膠的動態許用應力為±10 MPa[12]，最大應力在許用應力范圍之內，防塵罩符合強度要求。

圖12 防塵罩Mises應力示意圖

6 防塵罩性能研究

球頭銷總成最常見的失效模式是由泥水造成的球銷異常磨損松曠。因此要對設計生產出的防塵罩進行泥水耐久試驗，對其耐久性能進行研究，保證在規定的循環試驗次數后，防塵罩無滲漏、無破壞,功能完好。

將球頭銷部分安裝在試驗夾具上，安裝方法及試驗夾具尺寸、形狀與試車相同，泥水能夠噴灑在防塵罩的密封部位和外拉桿球銷套端部，泥水耐久性試驗示意圖如圖13所示。

圖13 泥水耐久性試驗示意圖

試驗條件設置如下：設定球頭銷擺動角度為±12°，擺動重復速率為1～3 Hz，轉動角度為±40°，轉動重復速率為0.3～1 Hz，泥水按照規定的試驗塵埃50 g和1 L水混合，噴灑泥水的速率為0.5～3 L/min，每隔5～15 min噴灑一次泥水，試驗循環次數為1.0×106，試驗裝置如圖14所示。

圖14 防塵罩泥水耐久試驗圖

將樣件在泥水耐久試驗機上試驗1.0×106次后取下，觀察防塵罩是否完好，有無滲漏現象。試驗后的樣件如圖15所示，可以看出防塵罩完好未破裂、無滲漏現象，表明該結構防塵罩滿足試驗要求。

圖15 泥水耐久性試驗后樣件示意圖