基于Abaqus的转向节转向球销装配变形的有限元分析

刘杰 郭聪兰

摘 要：针对某车型转向球销与转向节装配后球销轴向位移过大问题，利用Abaqus/Explicit建立转向节与球销的显式积分有限元分析模型。在不同的轴向力与锥孔面摩擦系数条件下，通过对转向节锥孔面的Mises平均应力分布情况、塑性变形量及表面正压力分布进行分析，得出影响塑性变形的因素。

关键词：Abaqus；应力；有限元分析；塑性变形；摩擦系数

1 概述

在汽车转向节与转向球销实际装配过程中，由于球销固定螺母拧紧力矩过大或配合面摩擦系数设计不合理，装配后球销沿转向节锥孔方向位移过大，导致球销锁紧轴无法锁紧。因此，在不同轴向预紧力及摩擦系数条件下，了解球销与转向节锥孔面的应力分布、表面压力、塑性变形情况是合理设计该产品的有效途径。

文章采用Abaqus/Explicit建立转向节与转向球销装配的显示积分有限元模型，模拟不同球销预紧力与不同摩擦系数条件下转向节锥面塑性变化情况。

2 转向节有限元模型的建立

有限元模型在Abaqus中进行前处理，去除过小的倒角，由于考察部位位于转向节臂锥孔与球销接触面位置，而且只分析单一轴向力作用下锥孔的拉大行为，故对某车型转向节模型进行简化，简化前后模型如图1所示。在球销端面施加轴向作用力模拟螺母拧紧过程中施加在球销上的作用力，在约束部位施加位移约束模拟螺母对转向节臂的约束作用。

3 网格划分

考虑模型简化后的对称性以及面接触等因素，转向球销与转向节臂均采用六面体一阶单元进行网格划分[1-3]，单元数量5053，节点数量6071。

4 材料属性

转向球销材料为40Cr，转向节臂材料为QT450，其材料特性均按照国家标准要求设定。

5 边界条件

转向球销端面受到均布载荷作用，转向球销与转向节臂接触部位建立面接触条件，在螺母与转向节臂接触部位设置全固定位移约束。轴向力分别施加1.9KN、2.1KN、2.3KN、2.5KN、2.722KN五组进行施加；接触面属性设定0.05、0.1、0.15、0.2四组摩擦系数μ进行对比分析（如图2所示）。

6 提交运算

在ANSA中对简化模型进行前处理，定义材料属性，网格划分和边界条件的设定；在Abaqus中定义接触面属性，设定分析步长，以及控制结果输出选项；在origin中进行数据曲线绘制。

7 分析结果

（1）轴向力F=2.722KN，摩擦系数μ=0.05与μ=0.2，最大PEEQ（等效塑性应变）约相差25倍。最大CPRESS（面正压力）相差约543N。（2）轴向力F=2.3KN，在μ=0.2的条件下，材料内未发生塑性变形。摩擦系数μ=0.05与μ=0.2条件下，最大CPRESS（正压力）相差486N。（3）轴向力F=1.9KN，在μ=0.15与μ=0.2条件下，锥孔内未发生塑性变形，摩擦系数μ=0.05与μ=0.2条件下，最大CPRESS（正压力）相差443N。

8 结果分析

（1）在轴向力一定的条件下，考察不同摩擦系数对转向节臂锥孔的影响。a.随着摩擦系数增大，转向节臂锥孔面上所受的最大正压力大幅度降低，其变化趋势基本相同。轴向力F=2.722KN时，最大正压力相差543N；轴向力F=1.9KN时，最大正压力相差443N。b.球销位移随着摩擦系数增大而减小，当μ<0.1时，轴向位移与摩擦系数成反比例关系，且随着摩擦系数增大急剧递减。不同轴向力条件下，位移变化趋势基本相同。c.转向节臂锥孔内部最大等效塑性应变PEEQ变化趋势与位移变化趋势基本相同，在当μ<0.1时，等效塑性应变PEEQ与摩擦系数呈反比例线性递减的关系；μ>0.1时，变化趋势趋于平缓。

（2）在摩擦系数一定的条件下，考察轴向力对转向节臂锥孔的影响。a.随着轴向力的增大，面最大正应力也增大，摩擦系数越小，增大越快。b.μ>0.1时，球销位移与轴向力大小几乎呈正比例线性递增的关系；μ<0.1时，球销位移与轴力大小呈指数递增的关系。c.在不同摩擦系数条件下，在轴向力2.3KN附近，锥孔应力几乎汇聚于一点；当F<2.3KN时，摩擦系数较小反而平均Mises应力较大；当F>2.3KN时，摩擦系数较大平均Mises应力也较大。d.轴向力大小对锥孔塑性应变的影响等同于轴向力对球销位移的影响，即μ>0.1时，轴向力与等效塑性应变呈正比例线性递增的关系；μ<0.1时，轴向力与等效塑性应变呈指数递增的关系。

9 结束语

轴向力一定，球销位移随着摩擦系数的增大而减小；摩擦系数一定时，球销位移随着轴向力的增大而增大，特别是摩擦系数较小时，位移与轴向力呈指数增长关系；锥孔内等效塑性应变变化趋势与位移变化趋势基本相同。轴向力一定，锥孔面上受到的正压力随着摩擦系数的增大而减小；摩擦系数一定，随着轴向力的增大而增大。轴向力一定，在μ=0.1时，平均Mises应力取到最小值；摩擦系数一定，在轴向力F=23000N时平均应力汇聚于一点，即在μ=0.1，F=23000时，得到最优工况。大部分工况条件下，转向节臂锥孔内应力已经超出材料的屈服应力，且发生大面积塑性变形，但塑性应变PEEQ小于目标限制1%，满足强度要求；而在F=2.722KN，μ=0.05恶劣工况下，塑性应变PEEQ最大值为1.1%，大于目标限制，材料出现压溃现象，不满足强度要求。

建议：考虑降低锥形孔内的塑性变形量，球销的轴向位移及锥孔内的表面压力，可以适当增大转向球销与转向节臂接触面的摩擦系数；同时也可提高转向节臂锥孔表面梯度最大处的强度，抵抗塑性变形的产生。

参考文献

[1]庄茁，张帆，岑松，等. Abaqus非线性有限元分析与实例[M].北京：科学出版社，2005.

[2]石亦平，周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]赵腾伦，姚新军. Abaqus6.6在机械工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007.