基于公差配合分析的前桥主销结构优化

雷 刚，胡 鹏，杨述松，邓虹辉

(1.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054;

2.南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

基于公差配合分析的前桥主销结构优化

雷 刚1，胡 鹏1，杨述松1，邓虹辉2

(1.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054;

2.南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

以轮胎起重机前桥为研究对象对其进行强度分析。在传统的强度分析基础上，考虑边界条件的非线性问题，进一步提出了公差配合对受力结果的影响。最后对主销进行结构优化，使其满足强度要求，为企业对该类产品的研发提供了借鉴。

有限元;非线性;公差配合

汽车的车桥(又称车轴)通过悬架与车架(或承载式车身)相连接，两端安装车轮。其作用是传递车架(或承载式车身)与车轮之间的各种作用力及其力矩［1］。根据汽车设计相关理论，为了保证工作的安全性和可靠性，对车桥进行强度分析具有十分重要的意义，但是传统的强度分析并没有使用其边界条件的非线性，更没有考虑实际情况下配合公差对分析结果的影响。随着计算机和有限元软件的发展，有限元方法在工程实际中运用更加广泛，传统的分析方法已不能满足可靠性和安全性的要求［2］。

本研究针对越野轮胎起重机前桥进行极限公况下的强度分析，同时通过优化主销结构来降低应力值。首先在最大侧向力行驶工况下对车桥进行强度分析，同时考虑接触高度非线性问题、材料非线性和配合公差，查看不同间隙量对分析结果的影响，最后通过改进主销结构，将配合公差对主销应力的影响降低，使其满足强度要求。在越野轮胎起重机车桥研发的前期，此研究同样具有一定的参考价值。

1 越野轮胎起重机前桥建模

1.1 建立几何模型

利用三维设计软件UG建立越野轮胎起重机前桥的几何建型，主要零部件包括桥壳、转向节、主销、半轴套管等。根据有限元计算要求对其结构进行几何清理，在忽略对力学性能影响较小的沉孔、凸台、圆孔和工艺等结构的前提下，尽量保留更多重要特征。

1.2 结构离散

利用有限元前处理软件HyperMesh对越野轮胎起重机前桥进行结构离散。为了提高计算精度，对涉及接触的部分用六面体网格划分［3］，五面体网格过渡，其余部分采用四面体网格划分。由于桥壳与主销是曲面接触，为保证桥壳计算模型有较好的收敛性，桥壳与主销接触处单元节点均需要对齐。有限元模型共有796 422个实体单元，212 571个节点。采用刚性连接模拟主销、半轴套管和转向节之间的螺栓连接，梁单元模拟推力杆。有限元模型见图1。

图1 越野轮胎起重机前桥有限元模型

1.3 材料属性的设置

主销材料为20CrMnTi合金钢，衬套材料为QAl9－4铝青铜，桥壳、转向节等其余部件材料为ZG40Cr，材料属性见表1。

表1 材料属性

用真实应变和真实应力来定义材料的塑性［4］，其数值可由以下公式求得：

式(1)、(2)中：ε表示真实应变;εnom表示名义应变;σ表示真实应变;σnom表示名义应力。

主销所用材料(20CrMnTi)的真实应力—塑性应变曲线见图2。当应力超过屈服极限835 MPa时，材料发生塑性变形。应力达到抗拉极限1 080 MPa时，材料开始进入局部变形阶段，持续变形就会断裂。

图2 材料真实应力－塑性应变曲线

2 最大侧向力行驶工况强度分析

某企业越野轮胎起重机在做最大侧向力行驶工况试验时，前桥主销出现了断裂，如图3所示。

图3 主销在试验场的断裂情况

2.1 最大侧向力行驶工况边界条件

在汽车满载、高速、急转弯时，汽车在质心处有相当大的离心力。当汽车所承受的侧向力刚好达到地面给轮胎的侧向附着力时，汽车处于侧滑临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，汽车将发生侧滑。根据QC/T533—1999《汽车驱动桥台架试验方法》的规定［5］，驱动桥侧滑方向一侧的车轮承担全部载荷的极端情况时，车桥最大侧向力行驶工况受力分析如图4所示。G2表示左侧车轮承受的地面垂向反力，F1f表示侧向反力。

图4 最大侧向力行驶工况受力

汽车满载时，最大侧向力行驶工况加载理论公式如表2所示。选择约束左钢板弹簧座处Y、Z向移动和X向转动，右钢板弹簧座处X、Y、Z向移动和X向转动。

表2 极限转向工况加载理论公式

越野轮胎起重机最大侧向力行驶工况下，主销和桥壳、转向节和桥壳之间需要考虑接触非线性，摩擦因数为0.12。有限元模型最大侧向力行驶工况边界条件如图5所示。

图5 前桥桥壳最大侧向力行驶工况边界条件

2.2 计算结果

接触问题是一种典型的边界条件高度非线性问题，接触不能在计算之初就全部给出，而是在计算过程中逐步确定，2个接触物体之间的接触面积和压力分布都会随外载荷变化［6］。本文通过Newton-Raphson算法求解出最大侧向力行驶工况下主销的最大等效应力为692.5 MPa，出现在主销根部，如图6所示。

图6 主销的应力云图

3 配合公差对前桥的受力影响

3.1 间隙配合

在工厂实际生产过程中，桥壳与主销、桥壳与转向节在有接触的地方是采用间隙配合，上文并没有考虑配合公差对分析结果的影响。结合试验场和上文有限元分析结果，本节主要对最大侧向力行驶工况下不同配合公差对主销的受力影响进行分析。运用上文建立的前桥最大侧向力行驶工况的有限元模型，根据前桥装配的实际情况，对主销、转向节和桥壳在接触的地方定义不同的间隙量，进行强度计算。

3.2 计算结果

最大侧向力行驶工况在不同的间隙量下，主销最大应力结果见表3。可以看出：配合公差对主销应力的影响较大，随着接触间隙量的增加，主销在最大侧向力行驶工况作用下的最大等效应力和最大主应力也随之增加，特别在主销与桥壳间隙量为0.1 mm，转向节与桥壳间隙量为0.1 mm时，主销已经达到了材料合金钢的屈服极限和抗拉极限。

表3 配合公差对主销应力的影响

根据实际情况恰当地选择零件的加工精度，对车桥的加工成本有着不可忽视的意义。上述分析结果中，当两个间隙量都为0.1 mm时主销就会出现断裂。在实际装配车桥时间隙量会更大，企业不能提高加工成本，只能通过改进模型满足强度要求。

4 改进方案及分析结果

4.1 改进方案1

结合在试验场的实际情况和有限元分析结果，改进越野轮胎起重机主销和转向节，增加主销在转向节连接处的直径，相应增加转向节主销孔的直径，在主销上做1个凸台并把钉帽做成长方体。图7为改进前后的主销模型。

图7 改进前后的主销模型

改进后直接加大接触处的间隙量，得出结果如表4所示。可以看出配合公差对主销应力的影响较小，但是最大应力依然较大，需要继续改进主销结构。

表4 改进方案配合公差对主销应力的影响

4.2 改进方案2

通过对方案1的改进，配合公差对主销应力的影响较小，只是主销的最大应力依然较大。根据经验本次增加主销圆柱的直径，使主销满足强度要求，并相应增加主销上凸台直径和与主销装配孔的直径。

设定主销和桥壳的间隙量为0.15 mm，转向节和桥壳的间隙量为0.15 mm。得出最大侧向力行驶工况下主销的最大等效应力为837 MPa，出现在螺栓连接处，主要是刚性连接引起应力较大，下主销台阶处最大等效应力为296 MPa，如图8所示，满足强度要求。

图8 主销的应力云图

4.3 结果分析

改进方案1中，主销上添加了1个凸台，虽然没能减小主销的受力情况，但是很好地降低了配合公差对分析结果的影响，说明凸台的作用是减小配合公差的灵敏度。改进方案2在改进方案1的基础上，增加主销圆柱的总体直径，减小了主销的最大应力。经过两次方案改进，使该模型达到强度要求。

5 结束语

与传统强度分析有所不同，本文考虑了边界条件的非线性问题。为了对越野轮胎起重机最大侧向力行驶工况有效准确地模拟，进一步研究了配合公差对受力结果的影响，但接触问题到目前为止还没有理论解给出精确的答案［7］。数值解能十分接近实际情况，在产品设计之初，对设计模型进行非线性数值模拟能提高产品的可靠性和安全性的精度要求。

本研究对主销进行了2次改进。改进方案1降低了配合公差对分析结果的影响;改进方案2减小了主销的受力情况。两种改进方案结合，使主销满足强度要求。2种改进方案可以推广到其他车辆的车桥设计和研究中，能减少研究时间，节约开发成本。

［1］ 陈家瑞.汽车构造［M］.5版.北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 原薇.基于可靠性的车桥结构多学科设计优化［D］.大连：大连理工大学，2005.

［3］ 庄茁.ABAQUS非线性有限元分析与实例［M］.北京：科学出版社，2005.

［4］ 陈峰，狄勤丰.双台肩钻杆丝扣粘扣失效的力学机制探究［J］.应用力学学报，2012(6)：730.

［5］ 刘晋霞.铰接式自卸车操纵稳定性［J］.北京科技大学学报，2007.

［6］ ABAQUS6.11有限元分析从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［7］ 雷刚，孙永刚.基于接触分析的自卸车驱动桥壳过盈公差分析［C］//2009年全国机械可靠性技术学术交流会暨第四届可靠性工程分会成立大会论文集.北京：［出版者不详］，2009.

Structure Optimization of Kingpin on the Front Bridge
Based on the Tolerance Match Analyses

LEI Gang1，HU Peng1，YANG Shu-song1，DENG Hong-hui2
(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China;
2.CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.Ltd.，Zhuzhou 412000，China)

The research subject of this thesis is based upon the front axle of the wheel crane，analyzing its strength.Considering the nonlinearity of boundary condition，the influence of tolerance match on stresses result is also proposed on the grounds of traditional strength analysis.The kingpin of the front axle has finally been gotten optimum design，which makes sure that the strength is able to fulfill our requirement.Furthermore，the approach used in this thesis would be a salutary lesson for developing a similar type of product in enterprise.

FEA;nonlinearity;tolerance match

U463

A

1674－8425(2014)04－0010－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.04.003

2013－10－22

重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2013jcyjA60005);重庆市教委科学技术研究项目(KJ130817)

雷刚(1967—)，男，四川仁寿人，博士，教授，主要从事计算力学及车辆工程方面的研究。

雷刚，胡鹏，杨述松，等.基于公差配合分析的前桥主销结构优化［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2014(4)：10 －14.

format：LEI Gang，HU Peng，YANG Shu-song，et al.Structure Optimization of Kingpin on the Front Bridge Based on the Tolerance Match Analyses［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2014(4)：10 －14.

(责任编辑 刘 舸)