汽车电动转向泵螺栓仿真分析

赵建宁

（青海交通职业技术学院 汽车工程系 青海 810003）

0 引言

螺栓连接是连接关系中的一种，其强度的好坏决定了连接的稳定性。保证螺栓强度，才能保证其被连接件可工作性。因此，螺栓强度分析是仿真分析中必不可少的一项，同时也是一个难点。

1 仿真数模建立及工况

在参照汽车电动转向泵试验实际物理模型的基础上，并对转向泵壳体作简化处理，忽略转向泵等构件中对系统结构及强度影响不大的小特征，同时注意转向泵壳体与螺栓之间节点的对应，建立其有限元模型如图1所示。

图1 仿真数模及简化部位

依据实际受力情况加载约束，并根据试验时的工作压力10MPa、1Hz的频率冲击以及螺栓力矩设置工况。

2 仿真分析结果

2.1 螺栓应力结果

壳体的应力结果如图2所示。

由于绕轴线刚度较弱，应力值偏大，导致图中右上方对应的螺栓应力值比其他螺栓大，其应力分布图如图3所示。

2.2 螺栓疲劳分析结果

根据疲劳破坏机理与断口特征描述，裂纹源通常在高应力局部或材料缺陷处，此例显示为高应力部位。利用疲劳分析软件，将模型与结果导入，进行相关设置，得出的疲劳分析结果如图4所示，寿命最短的地方，正是应力集中的位置。

图2 壳体应力分布图

图3 螺栓最大应力位置分布图

图4 螺栓疲劳寿命分布图

3 优化方案及仿真分析结果

3.1 优化方案

根据应力集中位置，改善方法有两种：

1）加强绕轴线方向壳体的刚度。

2）加大螺栓直径。

因此，优化方案亦有两种：

方案1：去除该体凸台部分，并体加厚至8mm。

方案2：将原M6螺栓改为M8螺栓。

3.2 优化方案仿真分析及结果

1）方案1仿真分析结果

方案1旨在提高整体刚度并且分散局部刚度，避免某一处刚度过小，其有限元模型如图5所示。

图5 方案1有限元模型

方案1的应力分布图如图6所示。

图6 方案1应力分布结果(左为预紧力，右为压力)

此时由于刚度比较平均，导致螺栓应力值比较平均。将其导入疲劳分析，进行与原方案同样的疲劳设置，其螺栓疲劳结果如图7所示。

图7 方案1疲劳分析结果

2）方案2仿真分析结果

方案2旨在直接提高螺栓本身的刚度。但是由于螺栓直径的增加，所以其拧紧力矩由原来的16N·m提升为20N·m。方案2的有限元模型如图8所示。

图8 方案2有限元模型

其相应的应力如图9所示，疲劳结果如图10所示。

图9 方案2应力分布结果(左为预紧力，右为压力)

图10 方案2疲劳分析结果

此时应力集中位置虽然仍然在螺栓处，但是由于螺栓应力明显下降，材料强度明显比壳体好，所以疲劳点转移到壳体上。

4 两种方案仿真分析结果对比

两种方案对比结果如表1所示。

表1 两种方案对比结果

在预紧力作用下，螺栓应力分布均匀，变化不大。方案1的加厚壳体变化不显著，针对方案2虽然预紧力由16N·m提升为20N·m，但螺栓直径加大，所以整体应力反而下降，其变化比方案1显著。

在压强作用力下，方案1和方案2的螺栓强度均显著提升，方案1提升16.7%，方案2则提升29.6%，相较之下，方案2变化更明显。

在应力计算完成之后，对各种载荷工况联合计算，在此基础上进行疲劳分析。由数据可以看出，方案2提升效果比方案1显著。

综合以上分析结果，两种方案中方案2更优。

5 结束语

通过对汽车电动转向泵的螺栓进行仿真数模建立及仿真分析，提出针对问题的两种优化方案，并对两种优化方案进一步进行仿真分析，通过结果对比最终得出加大螺栓直径的方案2是最佳的方案。

[1]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉: 华中科技大学出版社,2001.

[2]张胜兰, 郑东黎.基于Hyperworks的结构优化设计技术[M].北京: 机械工业出版社, 2007.