利用有限元技術優化支架設計并應用

關炳奇

諸城市義和車橋有限公司 山東諸城 262200

1 序言

某汽車廠研發的一款純電動微型轎車，后橋為拖曳臂式半獨立懸架，在樣車路試階段，汽車制動時后輪存在異響、抖動等問題，急需解決。

2 原因分析

汽車廠開發的后橋總成如圖1所示。經認真檢查分析，在排除了輪轂、制動盤及鉗體總成的原因后，我們認為制動時產生異響、抖動，可能有兩個原因：一是鉗體總成安裝支架（見圖2，以下簡稱支架）的剛度不夠，制動時支架變形；二是支架的兩耳面不在同一平面上，平行度超差。這些原因造成鉗體總成安裝后，制動塊與制動盤不平行，從而導致制動時出現抖動、異響。支架的平行度經過測量為0.25mm，確實超差比較嚴重。針對支架的剛度變形量，我們采用有限元技術分析剛性變形量的大小。

圖1 后橋總成

圖2 安裝支架

3 有限元CAE分析

支架由6.5mm厚的Q235鋼板彎曲而成，屬于懸臂梁結構。首先利用有限元CAE技術對支架進行受力分析，支架用材料屬性見表1。

表1 支架用材料屬性

有限元CAE分析的主要步驟為：①對支架數模指派材料為Q235。②劃分網格，本零件劃分網格類型為CTETRA(10)，單元大小為2.5mm，如圖3所示。③添加邊界條件，約束及載荷。④利用Nastran求解器進行計算，查看位移大小，最大變形位移量為0.1069mm，支架的彈性變形量嚴重超差，如圖4所示。

圖3 劃分網格

圖4 位移量計算結果

4 產品優化設計

為了解決支架彈性變形較大的問題，必須增加支架的剛度，剛開始提出的方法是在支架兩邊各焊接一個加強板，如圖5所示。經有限元受力分析，剛度變形最大位移量為0.0856mm，效果并不明顯，問題沒有得到有效解決，此方法行不通。

圖5 焊接加強板示意

根據以上探索及分析，要想解決根本問題，必須重新設計支架來滿足要求。第一，重新設計支架外形，結合后橋總成的空間要求，給支架的外輪廓加上翻邊，增加其整體剛度。第二，增加材料的厚度，但厚度不能無限制增加，要考慮到產品要求、工藝要求以及成本等因素。經過綜合考慮，將支架的材料厚度增加到8mm。通過增加厚度及在安裝鉗體總成的兩耳面以外增加翻邊，完成對支架的優化設計。優化后的支架如圖6所示，根據相應邊界條件進行有限元分析，新支架剛度變形最大位移量為0.0179mm，支架的剛度有了很大提高，完全滿足系統設計要求，位移量計算結果如圖7所示。

圖6 優化后的支架

圖7 新支架位移量計算結果

5 工藝分析

后橋總成實物如圖8所示。優化后支架的成形工藝相較于老支架更復雜一些。新支架材料仍為Q235，材料厚度為8mm，屬于中厚板成形，外形為半腰形，帶翻邊及臺階。工件成形時存在較大的成形側向力作用，會造成材料跑料，且兩耳面幾何公差要求嚴格，成形有一定難度。

通過對零件進行仔細分析，為了解決上述工藝問題，采用以下措施：①兩耳為鉗體總成的安裝面，要求在同一平面內，平行度與平面度綜合公差為0.05mm，要通過模具上下模整形，使兩耳處材料變薄，以保證兩耳的平行度及平面度。②為了抵消零件成形時的側向力，從根源上消除材料跑料，需要在半圓中心處沖一預孔。預孔的選擇非常重要，預孔太大，則工件的壁厚變小，由于成形時側向力的作用，孔將變形；預孔太小，則承受不住側向力，會將定位銷拉斷。根據理論計算，選取φ20mm定位銷。結合本廠設備情況，最終確定支架的工藝方案為：剪條料→落料、沖預孔復合模→翻邊成形→沖孔，共4道工序。

圖8 后橋總成實物

6 結束語

雖然新支架的生產成本比老支架有所增加，但產品質量明顯提高，考慮用戶及三包要求，實際成本降低。現在，該后橋產品已經批量供貨。3年的生產實踐表明，支架的改進非常合理，制動異響及抖動故障基本消除，零件質量穩定可靠，取得了良好的經濟效益，為今后類似產品的設計及工藝分析提供了思路和借鑒。