一種基于鋁合金的轉向節輕量化優化設計

王一偉，劉蘊博,，尤廣毅

1.合肥工業大學汽車工程技術研究院，安徽合肥 230009；2.合肥工業大學汽車工程技術研究院有限公司，安徽合肥 230009

0 引言

目前汽車市場競爭十分激烈，不管燃油車還是電動車，續航里程都是消費者非常關注的重要指標,而車輛輕量化能夠顯著提高續航里程、減少油耗和降低電池容量,從而實現節約能源、環保的目的。車輛轉向控制系統中最關鍵的一個零部件是轉向節,它在車輛運轉過程中承受各種載荷和力矩，其合理設計是確保汽車安全行駛的重要條件之一。

原轉向節生產采用的是球墨鑄鐵材料，這種材料質量較大，且生產加工起來較為困難。本文對原轉向節進行輕量化設計，將整體材料替換成鋁合金，經建模仿真分析后，發現原結構在某種給定工況下存在強度不滿足要求的情況。因此還需要對結構進行優化設計，將輪轂軸承與轉向節直接配合結構改為輪轂軸承與一個鋼套配合，再由鋼套與轉向節配合。將優化設計后的轉向節采用Nastran軟件進行有限元分析，結果表明在各種給定工況下新轉向節均滿足強度要求，并且質量相對于原轉向節減輕了37%，實現了輕量化這一預想效果。在有限元仿真分析的基礎上，對新轉向節進行了試驗，試驗結果均表明滿足各種性能要求，證明該方案具有可行性。

1 確定轉向節受力工況

在轉向節整個生產過程中，產品試驗極其重要，但是試驗需要耗費大量的時間和人力，因此在試驗之前需要對轉向節進行靜強度校核。轉向節靜強度性能指能夠抵抗汽車行駛過程中在極限工況下的強度，即抵抗瞬時承受到可能的最大載荷的能力。本文選擇了轉向、剎車、剎車+轉向、單車輪最大垂直加速度和整車最大垂直加速度等典型工況來分析汽車在各種路況下的轉向節受力情況。表1為汽車在不同運行工況下的載荷加載情況，其中方向為平行于地面指向后方，方向為指向駕駛員右側，方向為豎直向上。

表1 汽車在不同運行工況下的載荷加載情況 單位:g

2 原轉向節結構模型的建立與分析

為了準確地對轉向節進行靜強度校核，在Nastran有限元分析軟件中創建了轉向節的參數化模型，并對其進行網格劃分以進行不同運行工況下的有限元分析。本文采用直接對轉向節各個連接點施加力載荷的方法，轉向節各個安裝位置點如圖1所示。其中點表示與前橫臂的安裝點，點表示與縱臂的安裝點，點表示與后橫臂的安裝點，點和點為制動卡鉗安裝點，還包括減振器固定點。

圖1 轉向節各個安裝位置點

首先不改變轉向節本身結構，只是將整體材料替換成鋁合金，并選取了3.5垂直沖擊這一典型工況，35垂直沖擊下轉向節各點的載荷情況見表2。

表2 3.5 g垂直沖擊下轉向節各點的載荷情況

根據表2施加受力點及其載荷，通過分析得到3.5垂直沖擊下轉向節CAE計算結果如圖2所示。在原結構不變和整體材料替換成鋁合金的情況下，3.5垂直沖擊會造成中心大孔連接處出現很大的應力值，最高應力值達到了858 MPa，這遠遠超過本身材料的屈服強度240 MPa，極有可能導致強度破壞，從而影響車輛行駛安全。

圖2 3.5 g垂直沖擊下轉向節CAE計算結果

3 新轉向節結構模型的建立與分析

為了解決原結構下更換材料出現應力過大而導致不滿足強度的問題，進行了新結構的設計。新結構的主要設計思想就是將輪轂軸承與轉向節直接配合結構改為輪轂軸承與一個鋼套配合，再由鋼套與轉向節配合，并進行了一些尺寸上的優化。優化后轉向節結構如圖3所示，優化后轉向節的各零件參數見表3。其中輪轂及軸承視為剛體。

圖3 優化后轉向節結構

表3 優化后轉向節的各零件參數

在Nastran軟件中對優化后轉向節結構進行網格劃分并創建參數化模型，如圖4所示。

圖4 優化后轉向節結構參數化模型

在上述給定的多種典型工況下均進行了有限元計算分析，得到Von Mises 應力與最大主應力。優化后轉向節強度分析結果見表4。

表4 優化后轉向節強度分析結果 單位:MPa

由表4可以看出，所有工況下對于轉向節主體結構而言，Von Mises應力最大值為167 MPa，主應力最大值為175 MPa;對于鋼套而言，Von Mises應力最大值為495 MPa，主應力最大值為572 MPa，均滿足目標值要求。因此根據CAE的計算結果分析，優化后的轉向節達到了預期效果，但仍需進行進一步的試驗驗證。

4 試驗驗證

這一節主要從試驗方面來評價優化后轉向節的性能是否滿足要求，并且出于成本和制作數量的考量選擇了工藝成熟且成本較低的重力鑄造方式。

砂型重力鑄造的砂型模具目前主要由傳統方法和3D打印兩種方式完成，其中傳統的砂型制造流程為：CAD設計→工藝仿真→模件制作→工裝夾具制作→砂型制造→鑄造；3D打印的砂型鑄造流程為：CAD設計→工藝仿真→砂型3D打印→鑄造?？梢钥闯?，3D打印砂型簡化了傳統砂型制造的流程，大大提高了生產效率。最終本文選擇了3D打印砂型工藝，并通過3D打印砂型工藝來鑄造轉向節。優化后轉向節實物如圖5所示。

圖5 優化后轉向節實物

為了測試優化后的轉向節是否滿足各種受力情況，本文使用MTS汽車零件試驗系統專用試驗工裝檢測設備，并依據Q/SQR R5—33標準對優化后的轉向節依次進行了3個受力的檢測項目，分別是垂直力試驗、縱向力試驗和側向力試驗。

優化后轉向節垂直力試驗如圖6所示。

圖6 優化后轉向節垂直力試驗

其中加載力為：1=9.88 kN，2=11.85 kN；頻率為2.5 Hz。同時提出了檢測要求為運行300 000 次試驗后，不得出現斷裂、裂紋、破損等影響轉向節使用性能的損傷。垂直力試驗檢測結果見表5，其檢測照片如圖7所示。

表5 垂直力試驗檢測結果

圖7 垂直力試驗檢測照片

優化后轉向節縱向力試驗如圖8所示。

圖8 優化后轉向節縱向力試驗

其中加載力為：1.3-，13+(-=-513 kN，+=638 kN)；頻率為2.5 Hz。同時提出了檢測要求為運行75 000次試驗后，不得出現斷裂、裂紋、破損等影響轉向節使用性能的損傷?？v向力試驗檢測結果見表6，其檢測照片如圖9所示。

表6 縱向力試驗檢測結果

圖9 縱向力試驗檢測照片

優化后轉向節側向力試驗如圖10所示。

圖10 優化后轉向節側向力試驗

其中加載力為：-=-1.02 kN,+=6.88 kN；頻率為2.5 Hz。同時提出了檢測要求為運行200 000次試驗后，不得出現斷裂、裂紋、破損等影響轉向節使用性能的損傷。側向力試驗檢測結果見表7，其檢測照片如圖11所示。由檢測結果可以發現，優化后的轉向節能較好地滿足側向力試驗的要求。

表7 側向力試驗檢測結果

圖11 側向力試驗檢測照片

對優化后的轉向節通過垂向力試驗、縱向力試驗、側向力試驗后，根據試驗結果得出轉向節滿足應力強度。在此基礎上，再次對優化后的轉向節進行耐腐蝕性檢測，從而判斷轉向節的耐腐蝕性是否滿足要求。本次耐腐蝕性試驗依照的標準為GB/T 10125—2012，檢測設備使用中性鹽霧試驗箱。優化后轉向節耐腐蝕性檢測照片如圖12所示。

圖12 優化后轉向節耐腐蝕性檢測照片

轉向節耐腐蝕性試驗檢測條件見表8，并提出了檢測要求為外觀無明顯腐蝕。

表8 轉向節耐腐蝕性試驗檢測條件

耐腐蝕性試驗檢測結果見表9，其檢測照片如圖13所示。由檢測結果可以發現，優化后的轉向節能較好地滿足耐腐蝕性試驗的要求。

表9 耐腐蝕性試驗檢測結果

圖13 耐腐蝕性試驗檢測照片

5 結論

本文從整車輕量化的目的出發，以轉向節為研究對象，對其進行了輕量化設計。

(1)將轉向節的材料由球墨鑄鐵改成鋁合金，經過分析發現在某種常見工況下強度并不滿足要求，因此進一步對結構進行了改進，將輪轂軸承與轉向節直接配合改為輪轂軸承與一個鋼套配合，再由鋼套與轉向節配合，并且對原驅動軸套的壁厚和一些連接結構進行尺寸優化，從而達到加強轉向節的目的。

(2)為了驗證優化后的轉向節是否滿足強度要求，利用Nastran軟件進行有限元計算分析，結果表明優化后的轉向節在各種工況下均滿足力學性能要求，且質量相對于優化之前減輕了37%，與預期的優化效果相符。

(3)為了進一步驗證仿真的結果，根據優化后轉向節的三維模型鑄造出實物，并分別做了垂向力試驗、縱向力試驗、側向力試驗以及耐腐蝕性試驗，試驗結果均滿足要求，因此該優化方案具有可行性，可以進一步推廣。