某车型球面销总成结构仿真分析方法

于东娜，田 崇，鄂世国

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110004）

前言

球面销总成结构作为可靠性较高[1]的车用连接件，其主要优点在于能够提高连接强度，在保证高径向、低旋转摆动刚度的同时，具有较高的寿命，进而更好地提升整车操控性能。在理论研究结构有限元分析[2]方面，于大国[3]对球面销摩擦机理进行了详细研究；杨卓培[4]总结了在阶梯载荷下刚柔球面接触副关节轴承的磨损机理及疲劳寿命；在实际设计加工制造试验方面，Hao Bin 等[5]在球面销壳体尺寸对球头性能的影响做了详细的研究，提出了采用铝制球头或铝制壳体可以实现增加挤压强度和扭矩。孙凯[6]对重型汽车的推力杆球面销总成端盖提出了改进及实施；雷亮[7]设计了I 型推力杆球面销装配工装。目前，对校核、验证球面销总成结构的仿真分析方法暂无研究总结，那么，很有必要总结出一套针对球面销总成结构的仿真分析方法。

为保证球面销总成结构具有足够的机械安全性能，本文主要考察的仿真测试项目有球面销轴向压溃强度、壳体轴向压溃强度、球面销总成静强度以及球面销总成疲劳。基于摩擦接触理论，材料非线性处理方法进行研究，总结出一套仿真分析与试验测试对标验证的体系流程。

1 研究对象

以乘用车某车型后转向节与安装臂之间的球面销总成作为研究对象，3D 数据模型如图1 所示（图1（a）为后转向节总成示意，图1（b）为球面销总成局部放大示意）。球面销的典型断面如图2 所示（图2（a）为球面销总成3D 数据断面示意，图2（b）为球面销总成2D 数据断面示意）。

图1 3D 数据模型

图2 球面销的典型断面

球面销总成材料信息如表1 所示，其中两端橡胶密封套不作考虑。

表1 球面销总成材料信息表

考察验证项目内容信息汇总如表2 所示。

表2 球面销验证项目内容信息表

试验测试示意如图3 所示。考察验证项目评价体系信息汇总如表3 所示。

图3 试验测试示意图

表3 球面销验证项目评价体系信息表

其中，上述球面销总成疲劳分析中，不考虑摆动及旋转角度的影响以及试验环境温度的影响，试验测试是以（Block1+Block2+Block3）×3 作为一个完整循环，未出现失效时继续以Block2 中等载荷输入进行疲劳破坏试验。

2 有限元建模与分析

2.1 前期建模

有限元建模基于Hypermesh 软件，调用Abaqus 求解器编辑环境，将CATIA 格式的三维数据导入。由于结构具有圆周旋转特征，故采用截面四边形单元划分后，使用line drag命令，生成规整的六面体网格模型。加载及约束位置需要创建RBE2 刚性单元。

压溃强度分析中，导入材料的应力应变曲线来进行材料非线性计算。球面销总成静强度及疲劳分析中，需要在壳体外侧创建实体模型来代替转向节局部结构，设置摩擦系数定义接触关系，利用接触非线性来求解计算。

后处理软件采用Hyperview 及FEMFAT 疲劳分析软件。

所需材料的力学性能信息如表4 所示。

表4 材料力学性能信息表

由于篇幅有限，故将球面销有限元仿真分析项目按照项目1～4 序号编辑，边界条件如表5 所示。

表5 分析项目边界条件信息表

其中项目3 中的5 个重要典型工况载荷如表6 所示，载荷单位为N。

表6 分析项目3 载荷信息表

其中项目4 中的3 个Block 工况载荷如表7 所示，载荷单位为N。

表7 分析项目4 载荷信息表

根据上述相关说明，进行有限元前处理工作，设置材料参数，边界条件加载示意如图4 所示。

图4 边界条件加载示意图

2.2 仿真结果

验证项目1 仿真结果汇总如表8 所示。球面销选用高强钢40Cr 材料，强度满足的前提下，最大永久变形量满足目标要求。变形云图如图5 所示。

表8 项目1 仿真结果汇总表

图5 位移云图

验证项目2 仿真结果汇总如表9 所示，使用载荷超过屈服点，达到抗拉强度点，进入非线性段，持续加载的分析方法。其力和位移关系曲线如图6 所示，从图中可以看出，在达到360 MPa 材料屈服点，已进入材料非线性，压溃极限位移量为2.162 mm，其对应的极限应力云图如图7 所示。

图7 非线性加载后的应力云图

表9 项目2 仿真结果汇总表

图6 力和位移关系曲线

验证项目3 仿真结果汇总如表10 所示。球面销总成在重点考察的五个工况进行线性强度计算，各分体金属件最大应力均满足各自材料的屈服强度，云图结果不予列出。

表10 项目3 仿真结果汇总表

验证项目4 仿真结果汇总如表11 所示。球面销总成疲劳耐久满足目标要求，云图结果不予列出。

表11 项目4 仿真结果汇总表

按照试验测试迭代累加，该球销总成疲劳寿命趋于无限寿命，疲劳破坏尚未有限元分析。

3 结论

根据球面销总成结构台架试验项目，总结出了较为完整的有限元仿真分析流程，结果表明该研究对象是能满足各项考察指标的。

后续需要将其与试验测试数据进行精细对标工作，更好地形成工程分析流程闭环系统。

由于底盘结构件装配总成中，存在很多类似这些球头、球面销之类的连接件，要针对每个件的运动受力特点形成各自的分析标准，解决实际问题，对底盘动态特性、安全性能等都是至关重要的。