基于ABAQUS軟件的汽車球鉸力學性能仿真計算研究

李 濤，陳光耀，張志猛

(1.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710000：2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070；3.陸軍工程大學，湖北 武漢 430070)

在汽車球鉸溫度升高的過程中會產生膨脹，為了對這種膨脹現象進行合理有效的控制，首先需要了解球碗熱膨脹狀態下的應力場[1]。因此，本次研究針對汽車球鉸進行熱膨脹分析，所使用的分析工具為ABAQUS軟件。

1 熱膨脹分析

在進行熱分析之前，首先要對模型的初始溫度場進行設定，再對分析中的溫度場進行修改，進而形成溫差[2]。通過Abaqus將幾何體離散成擴散熱傳導單元，在此基礎上進行熱分析。材料性能參數具體如表1所示。

本次研究只考慮POM材料力學性能與溫度之間的關系，將軸向過盈量設定為0.1 mm，將徑向過盈量設定為0.02 mm。由圖1可知，在溫度由22 ℃增加到79 ℃的過程中，球碗底部加強筋部位的應力最大，最大應力值由92.26 MPa下降至49.55 MPa，并且整個球碗體現出了大致相同的應力分布情況。

表1 材料性能參數

圖1 不同溫度下球碗底部應力云圖

若考慮POM材料力學性能與溫度及熱膨脹量之間的關系，則很有可能會得出不同的分析結果[3]。由圖2可知，在溫度由22 ℃增加到79 ℃的過程中，雖然球碗的最大應力出現變化，但仍然是球碗底部加強筋部位的應力最大。最大應力值由92.26 MPa下降至61.99 MPa，相比于不考慮膨脹的情況來說，在熱應力附加效應的作用下，整個球碗的應力值略微上升，可以通過式(1)來表示熱應力：

(1)

式中：L為物體長度,mm；ΔT為溫度增量，℃；α為熱膨脹系數。

圖2 不同溫度下球碗應力云圖

為了能夠對由溫差所造成的熱膨脹進行更加直觀的觀察，本次研究從球碗徑向與軸向兩個方面進行衡量，即考慮POM材料熱變形與過盈配合兩方面的變化，通過二者之間的差值來獲取熱膨脹量。

通過圖1、圖2可以發現，球碗上邊緣出現了沿X向0.005 mm的軸向位移，下邊緣出現了沿X向0.065 mm的軸向位移。球碗部位出現了0.015～0.03 mm的Y向位移量。由于球碗存在對稱性特點，因此X與Y向會出現一致的位移量。

由于經過熱精整之后的球鉸必然會恢復至室溫溫度，因此其熱膨脹過程只能對熱精整環境下的參數變化給出反映，這就需要在“退火”過程背景下對球鉸的參數變化進行分析，進而將球鉸產品性能更加充分地反映出來[4]。通過圖2可以發現，在球鉸未熱精整的情況下，應力主要集中在油槽邊緣，其他部位接觸應力均在70 MPa以下。熱精整過程中的球鉸由于受到熱膨脹和蠕變時效的共同影響，未熱精整的分析結果與球碗的接觸應力值十分接近，球鉸在經過熱精整后再將其置于室溫環境下，會大幅降低球鉸的接觸應力值，出現該現象的原因在于溫度上的落差會消除由熱精整所形成的膨脹。

另外，根據圖3所示，球鉸在未精整的狀態下，過盈配合會使應力集中于油槽部位，造成該部位出現較大的接觸應力梯度，使球碗早期磨損更加嚴重。處于熱精整過程中的球鉸，其溫度在降低至室溫的情況下，球碗各部位接觸應力值均出現了一定的下降，油槽部位應力梯度發生了顯著的縮減。

圖3 球碗的接觸應力曲線

經實驗研究發現，球鉸的接觸應力很大程度上會受到熱精整工藝的影響，為了進一步分析球鉸扭矩與熱精整之間的關系，還應當優化球鉸的軸徑向過盈量。

2 過盈量再優化

通常情況下，為了能夠使對由精整所產生的膨脹應力與熱應力進行有效的控制，需要在內部結構中留出一定的膨脹間隙[5]。然而，球鉸通常是由旋鉚與壓裝來實現裝配的，即使球碗與球銷之間存在一定的間隙，這部分間隙也會因裝配而消失[6]。因此，本次研究不再分析由間隙量所產生的影響，單純分析球碗在熱精整后因過盈量所引起的應力分布情況。

該環節的研究仍然借助Abaqus軟件來進行熱分析，獲取球碗內表面各節點的接觸壓強值。通過Origin軟件來擬合各軸徑向過盈量下的觀測結果，最終得到如圖4所示的擬合曲線。

圖4 過盈量-接觸應力曲線

根據文獻[7]所給出的計算結果，球銷與球碗結合面之間應當留出至少8.45的最小接觸應力，再結合圖2所給出的過盈量-接觸應力曲線，本次研究將過盈配合組歸納為A、B兩組。A組：軸向過盈量0.08 mm，徑向過盈量0.02 mm；B組：軸向過盈量0.14 mm；徑向過盈量0.01 mm。

考慮到實際生產中的球鉸配合公差帶與產品的尺寸控制能力，應當將軸向過盈量控制在高于0.1 mm的水平。由于比較接近要求的是A 組的軸向過盈量，并且軸向過盈量對接觸應力小于徑向過盈量，因此可以將A 組軸向過盈量直接設定為0.1 mm[8]。另外，球鉸在經過熱精整后，其球銷與球碗之間并不會出現較大的間隙，因此直接將球碗接觸應力分布的均勻性設定為評價參數。設μA為A 組接觸應力值偏差，設μB為B 組接觸應力值偏差，經計算可知，μA=6.587，μB=8.078。因此，B組為最佳過盈量組合。

3 球鉸扭矩與熱精整工藝之間的關系

為了對前述所得出的結論進行驗證，本次研究通過實驗的方式來觀察球鉸扭矩與熱精整工藝之間的關系。在實驗中所采用的球鉸產品均經過熱精整處理，在實驗中所采用的球鉸產品均經過熱精整處理，通過千分尺和三坐標測量儀來測量零件尺寸，進而獲取目標軸向過盈配合量和徑向過盈配合量，并且所使用的球鉸均通過防塵罩給予保護，最大程度上還原真實狀況下的球鉸使用環境。最終的實驗結果如圖5所示。

圖5 球鉸扭矩測試結果

經實驗研究發現，球鉸在經過熱精整后，其后扭矩值出現明顯下降，在軸向過盈量為0.1 mm，徑向過盈量為0.02 mm的情況下，未經熱精整的理論值高于未經熱精整的測試值，二者之間存在12.23%的誤差，經熱精整的理論值低于經熱精整的測試值，二者之間存在24%的誤差；在軸向過盈量為0.14 mm，徑向過盈量為0.01 mm的情況下，未經熱精整的理論值高于未經熱精整的測試值，二者之間存在9.06%的誤差，經熱精整的理論值低于經熱精整的測試值，二者之間存在27.5%的誤差。由此可知，過盈量組合的球鉸扭矩值應當維持在1.6 N·m左右。

4 結 語

本次研究從力學性能的角度對球鉸進行了熱分析，闡述了球鉸熱精整前后在接觸應力分布方面所發生的變化，并在此基礎上提出了過盈量再優化方案。做好汽車球鉸的力學分析工作，是未來一段時間內提升汽車行駛穩定性的重要工作，在相關的研究中還需要考慮更多的力學性能影響因素，進一步豐富汽車力學研究的理論要素。