某转向外拉杆防尘罩设计仿真及性能研究

苏泽鹏，焦学健，杨建强，杨 磊

(山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049)

转向拉杆球头销是汽车转向系统的关键部件，其强度、质量和可靠性直接影响汽车转向的灵敏度以及开车的舒适度[1]，球销防尘罩破裂是球销失效的主要模式之一[2]。为了更好地研究某型号转向外拉杆，本文利用Hyperwork中的Hypermesh模块进行前处理，利用Lsdyna进行计算，对设计的球销防尘罩进行工作过程中的动态强度分析[3]，同时对设计生产出的防尘罩进行泥水耐久试验[4]，检验其是否满足产品要求。

1 转向外拉杆结构分析

转向外拉杆总成主要包括外拉杆防尘罩、外拉杆球销套、外拉杆球头销、外拉杆球销座等部件[5]，如图1所示。图1中防尘罩与外拉杆球销套紧固在一起，外拉杆球头销固定在外拉杆球销座上，为球铰连接，右端外拉杆球销套与内拉杆球销套为螺纹连接。球头销总成最常见的失效模式是球销异常磨损松旷，导致这种失效的大部分原因是由于防尘罩的破损，泥水进入球头销总成中，使球销及球销座早期磨损松旷[6]。本文利用有限元分析软件Hyperwork以及Lsdyna对防尘罩工作过程中的强度进行仿真分析，同时对防尘罩进行泥水耐久试验检验其性能是否合格。

图1 转向外拉杆总成结构图

2 防尘罩结构设计

为了使防尘罩具有良好的密封性和足够的工作强度，设计了一款新型防尘罩。防尘罩顶部有槽孔，便于工件的夹装与固定，上端面外轮廓略高于端面，增加防尘罩的防水性能，中间安装球头销的孔处有多层波浪纹，既可以与球头销紧密贴合，又起到密封作用，防止滑落。底座有骨架支撑防尘罩，底座与球销套之间采用压力机压紧，随后涂上密封胶保证其密封性。侧面壁采用不同厚度，上端厚下端薄，既满足压缩要求，又有足够的强度。根据产品设计要求，防尘罩在工作状态时，Y方向压缩6 mm，球头销倾角0°～28.5°，压向防尘罩一侧，具体的防尘罩结构如图2所示。

3 橡胶本构模型

防尘罩采用橡胶制成，橡胶是一种具有超弹性、粘弹性特质的材料，具有很好的延伸率。为了拟合橡胶的本构参数，本文选用Mooney-Rivlin模型来描述橡胶的本构。Mooney-Rivlin模型适合中小型变形情况，用它来定义不可压缩橡胶材料时，泊松比要大于0.49，才能保证不可压缩行为。描述橡胶应变能量的密度函数如下：

(1)

式(1)为常见的Mooney-Rivlin模型。式(1)中：U为应变能密度；C10、C01、D1为Mooney常数；I1、I2为Cauchy-Green应变不变量；对于不可压缩橡胶材料，J取1。根据拉伸试验最终确定Mooney-Rivlin常数，即C10=0.17，C01=0.80。

在Hypermesh中定义橡胶材料时，选用MATL27材料，只需定义泊松比、密度及C10、C01两个常数便可以模拟橡胶本构模型。

4 转向外拉杆前处理

首先在Solidworks中建立三维模型，为了方便计算防尘罩强度、减少计算时间，将模型简化为4个部件：外拉杆球销套、外拉杆球销座、外拉杆球销及防尘罩。将模型导入Hypermesh中进行网格划分，赋予材料属性，施加边界条件，得到有限元模型[7]。该有限元模型有节点53 456个，单元224 559个，如图3所示。

采用四面体网格对模型进行划分，为了保证每个厚度方向上至少有3层网格，选用1 mm网格尺寸，这样可以保证结果的精确性[8]。对模型赋予材料属性，防尘罩材料为橡胶(密度1 830 kg/m3，泊松比为0.49)，选用Mooney-Rivlin模型来模拟橡胶的本构模型[9]；球头销材料为40Cr(密度7 800 kg/m3，泊松比为0.30，弹性模量为2.1×105MPa)，其余定义为刚体。

球头销与球销座之间为球铰连接[10]，在球头中心点位置建立球铰连接[11]，如图4所示。

图4 球头销球铰示意图

考虑到防尘罩在工作情况下的变形与装配问题，需对其定义接触关系。防尘罩与外拉杆球销套通过压力机压紧，为紧固连接，采用Tied进行胶粘接触模拟，忽略原始穿透。在球头销摆动过程中，防尘罩变形后会产生自接触的情况，所以部件添加自接触，动摩擦系数为0.02，静摩擦系数为0.15。设定后的接触设置见表1。

表1 接触设置示意表

在边界条件设置中，因为转向外拉杆的防尘罩在实际安装过程中处于压缩状态，所以在仿真模拟中，在防尘罩上方加一圆盘，定义一条位移曲线使其沿Y轴强制位移，使防尘罩沿Y轴负方向压缩6 mm，处在压缩状态;球头销的极限角度为28.5°，使用拉力计对球头销弯曲时的受力进行测量，结果为20 N左右，因此在球头销上端施加20 N的力，定义一条力的曲线，方向与X轴平行，用来模拟球头销从初始位置摆动到28.5°的过程。图5为防尘罩位移曲线图，图6为球头销摆动受力测试图，图7为球头销受力曲线图。对底板进行全约束，边界条件设定后的模型如图8所示。定义计算时间为0.11 s，时间间隔为0.005 s，输出d3plot文件，便于后处理结果的查看。

图5 防尘罩位移曲线图

图6 球头销摆动受力测试图

5 后处理分析

从Hypermesh中导出K文件，在Lsdyna中进行计算，可得到防尘罩的压缩示意图。图9为防尘罩在Y向压缩6 mm时的压缩示意图，图10为球头销摆动角度图。球头销单边旋转角度示意图如图11所示，由图11可知，球头销单边旋转角度约为28.5°，符合要求。

图10 球头销摆动角度示意图

图11 球头销单边旋转角度示意图

图12为防尘罩Mises应力示意图。由图12可知，最大应力发生在0.11 s时球头销与防尘罩接触处，最大应力为4.82 MPa，橡胶的动态许用应力为±10 MPa[12]，最大应力在许用应力范围之内，防尘罩符合强度要求。

图12 防尘罩Mises应力示意图

6 防尘罩性能研究

球头销总成最常见的失效模式是由泥水造成的球销异常磨损松旷。因此要对设计生产出的防尘罩进行泥水耐久试验，对其耐久性能进行研究，保证在规定的循环试验次数后，防尘罩无渗漏、无破坏,功能完好。

将球头销部分安装在试验夹具上，安装方法及试验夹具尺寸、形状与试车相同，泥水能够喷洒在防尘罩的密封部位和外拉杆球销套端部，泥水耐久性试验示意图如图13所示。

图13 泥水耐久性试验示意图

试验条件设置如下：设定球头销摆动角度为±12°，摆动重复速率为1～3 Hz，转动角度为±40°，转动重复速率为0.3～1 Hz，泥水按照规定的试验尘埃50 g和1 L水混合，喷洒泥水的速率为0.5～3 L/min，每隔5～15 min喷洒一次泥水，试验循环次数为1.0×106，试验装置如图14所示。

图14 防尘罩泥水耐久试验图

将样件在泥水耐久试验机上试验1.0×106次后取下，观察防尘罩是否完好，有无渗漏现象。试验后的样件如图15所示，可以看出防尘罩完好未破裂、无渗漏现象，表明该结构防尘罩满足试验要求。

图15 泥水耐久性试验后样件示意图