陳泳
(四川望錦機(jī)械有限公司技術(shù)中心,四川成都 610200)
汽車球鉸防塵罩的有限元分析
陳泳
(四川望錦機(jī)械有限公司技術(shù)中心,四川成都 610200)
采用ABAQUS有限元分析軟件建立汽車球鉸橡膠密封防塵罩的三維分析模型,模擬防塵罩的裝配和擺動過程,研究防塵罩在擺動工況下接觸壓強(qiáng)的變化和輪廓形狀的變化。闡述了防塵罩的3種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)失效機(jī)制,并對兩種橡膠本構(gòu)模型Mooney-Rivlin和Ogden進(jìn)行理論闡述和單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測試擬合。 研究結(jié)果表明:防塵罩的接觸壓強(qiáng)在擺動時(shí)有較強(qiáng)的非線性變化,說明防塵罩在擺動中產(chǎn)生的變形會影響密封;防塵罩在擺動中外輪廓與轉(zhuǎn)向節(jié)無干涉,密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足需求。
球鉸防塵罩;失效分析;本構(gòu)模型; 復(fù)合變形
球鉸應(yīng)用在汽車底盤部件如控制臂、轉(zhuǎn)向拉桿和穩(wěn)定桿連桿等零件上。球鉸在汽車底盤中實(shí)現(xiàn)了3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動自由度并承受了較大的行車載荷,實(shí)現(xiàn)了可靠的運(yùn)動功能,就像人的關(guān)節(jié)一樣,是汽車底盤件上的核心零部件。處于底盤部位的球鉸由于長期暴露在惡劣的自然環(huán)境中,要保證正常的工作就要能抵擋泥水、石子、鹽霧腐蝕及其他異物的侵襲,因此必須采用防塵罩對球鉸部件進(jìn)行有效的密封防護(hù)。防塵罩是保護(hù)球鉸的主要零件,防塵罩的失效必然會導(dǎo)致球鉸的失效。因此,對球鉸防塵罩的研究非常重要。在防塵罩的設(shè)計(jì)中,要對密封效果和跟隨球鉸運(yùn)動后的變形進(jìn)行仿真分析,確保密封部位的接觸壓強(qiáng)以及運(yùn)動變形后與底盤零件無干涉。
球鉸產(chǎn)品需要密封的部位都有較大的相對擺動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,因此在可能的選材范圍中,橡膠是最合適的選擇:(1)橡膠柔性較好,更能適應(yīng)各種運(yùn)動工況的連接;(2)密封效果較好。圖1所示為一典型的球鉸結(jié)構(gòu),其運(yùn)動方式如下:靠近轉(zhuǎn)向節(jié)的小唇口與球銷實(shí)現(xiàn)動密封,球銷既要沿自身軸線轉(zhuǎn)動又要實(shí)現(xiàn)任意方向的擺動;大唇口與球銷套實(shí)現(xiàn)靜密封;中間柔性部位形狀根據(jù)懸架的運(yùn)動工況而變。因此防塵罩在設(shè)計(jì)中:(1)必須滿足動靜密封的要求,而且比普通的密封設(shè)計(jì)更困難的是動密封唇口在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動密封的同時(shí)要承受防塵罩因擺動運(yùn)動形成的側(cè)向的拉壓應(yīng)力,這會在一定程度上影響密封效果,甚至出現(xiàn)肉眼可見的大間隙;(2)防塵罩的外形在擺動中需確保不能與轉(zhuǎn)向節(jié)及車架等外部零件發(fā)生干涉,否則會因干涉形成破損,一旦有泥水從破損部位進(jìn)入球鉸結(jié)構(gòu)的內(nèi)部,則球鉸很快就會出現(xiàn)失效。
防塵罩密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理會導(dǎo)致球鉸失效,常見的失效現(xiàn)象[1]如下:(1)動密封的小唇口出現(xiàn)大的間隙,主要原因是設(shè)計(jì)的時(shí)候拉伸邊沒有計(jì)算好足夠的長度,導(dǎo)致擺動到極限時(shí)因過度拉伸出現(xiàn)間隙;(2)小唇口出現(xiàn)塌陷,主要原因包括設(shè)計(jì)時(shí)接觸壓強(qiáng)過小、橡膠本體的支撐作用較差以及球銷結(jié)構(gòu)沒有優(yōu)化等;(3)防塵罩的外部干涉造成的破損,主要原因是設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮擺動后所需的變形空間,導(dǎo)致防塵罩與車架摩擦造成破損。還有一種失效現(xiàn)象是防塵罩表面的老化龜裂,這是由材料配方所引起,文中不做研討。以上因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成的失效,都可以通過仿真來解決。圖2為防塵罩常見的失效圖片。
對橡膠本構(gòu)模型的研究由來已久,而且到目前來講已有多種本構(gòu)模型可以選擇。橡膠材料本構(gòu)模型可分為基于連續(xù)介質(zhì)唯象理論的本構(gòu)模型和基于分子熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的本構(gòu)模型兩大類[2]?;谖ㄏ罄碚摰某S帽緲?gòu)模型有多項(xiàng)式、Mooney-Rivlin、減縮多項(xiàng)式、Neo-Hookean、Yeoh、Ogden、Marlow。 基于分子熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的本構(gòu)模型有Arruda-Boyce、Van der Waals等。
橡膠作為超彈性大變形材料,有很好的延伸率。通常對橡膠原材料試片要求斷裂延伸率達(dá)到大于400%。在橡膠性能的檢測中常用的有單軸拉伸數(shù)據(jù),且從單軸拉伸數(shù)據(jù)中獲取本構(gòu)模型參數(shù)是最經(jīng)典的方法[3],因此作者基于此來擬合橡膠的本構(gòu)參數(shù)。通過對多次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用不同的本構(gòu)進(jìn)行擬合的研究經(jīng)驗(yàn),推薦兩種模型來描述橡膠的本構(gòu):
(1)Mooney-Rivlin模型。該模型從1940年就開始應(yīng)用了。Mooney-Rivlin模型在應(yīng)變小于80%的時(shí)候能符合材料的特性,且優(yōu)點(diǎn)是只需輸入兩個(gè)參數(shù),另外該本構(gòu)模型除了可以采用單軸拉伸擬合外還可以通過材料硬度計(jì)算得到[4],在沒有拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況下,也能較好地滿足工程計(jì)算上的需要。Mooney-Rivlin模型的應(yīng)變能密度函數(shù)如下[5]:
該模型不能實(shí)現(xiàn)通常的橡膠應(yīng)力應(yīng)變曲線中的向上部分,即所謂的S形曲線,因此,Mooney-Rivlin只能用于中小應(yīng)變中,另外正值的C10和C01有利于穩(wěn)定性。
(2)3階的Ogden模型。該模型的適應(yīng)范圍較寬,在應(yīng)變400%以內(nèi)都能很好地?cái)M合材料。Ogden模型以3個(gè)主伸長率為變量,其應(yīng)變能密度函數(shù)如下[4]:
式中:N為階數(shù),一般隨著階數(shù)的增加會使計(jì)算精度提高,但同時(shí)會造成計(jì)算收斂困難,工程上常用3階的Ogden本構(gòu)。
拉伸試驗(yàn)試片采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T528中的Ⅰ型啞鈴試樣[6],試片材料為CR,硬度為邵A50,在電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸,測試速度5 mm/min,見圖3。同時(shí)根據(jù)橡膠啞鈴型試樣的拉伸數(shù)據(jù),利用ABAQUS軟件擬合得到橡膠本構(gòu)模型參數(shù)如下:
80%以內(nèi)應(yīng)變:Mooney-Rivlin模型
C10=0.429C01=0.019
400%以內(nèi)應(yīng)變:Ogden模型
u1=-381.792u2=187.754u3= 187.754a1=1.281a2=1.502a3=1.042
將以上本構(gòu)參數(shù)輸入到拉伸試片的分析模型圖4中,結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的應(yīng)力應(yīng)變曲線對比都比較好,見圖5。
圖3 啞鈴試樣拉伸測試圖片 圖4 拉伸分析模型
對橡膠密封防塵罩分析有如下步驟:首先明確模型的建立和簡化方法以準(zhǔn)確定義模型,然后做好網(wǎng)格劃分和單元選擇,再是運(yùn)動關(guān)系的設(shè)置,最后要合理設(shè)置分析條件以確保求解的正確。
一個(gè)完整的球鉸結(jié)構(gòu)如前所述,包括了球銷、球銷套、轉(zhuǎn)向節(jié)、防塵罩、球銷座、底板和螺母,在分析中為了減少計(jì)算量加快分析的速度,可以略去和防塵罩沒有接觸的零件如螺母、球銷座和底板,文中為更清晰地展示分析過程,僅去除了螺母。首先在AutoCAD中建立平面模型,如圖6所示,模型保留單一的封閉外輪廓,各零件的位置關(guān)系要正確布置在沒有裝配前的狀態(tài)。
平面模型繪制后,再轉(zhuǎn)成DXF格式的文件,逐一導(dǎo)入ABAQUS。因?yàn)榉缐m罩的主要工況為擺動,所以在分析中采用一半的對稱三維模型,既簡化了分析量,又能保證分析精度和要求,最終的三維分析模型如圖7所示。
在網(wǎng)格劃分中,因?yàn)榉治龅闹攸c(diǎn)是防塵罩,為更準(zhǔn)確地體現(xiàn)出形狀的變化,對防塵罩取比較細(xì)的網(wǎng)格,通常取0.5 mm,同時(shí)選擇專用于橡膠分析的雜交單元C3D8RH。需要關(guān)注的一點(diǎn)是:對于防塵罩中內(nèi)含的骨架,因其通常是金屬或尼龍材料,不能和橡膠本體同時(shí)定義材料屬性,所以需要在劃分網(wǎng)格之前將其從整體模型中分離出來,這樣在定義材料屬性的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)分別定義。其他零件網(wǎng)格取值1~2 mm,單元采用C3D8R。網(wǎng)格處理好后的模型如圖8所示。根據(jù)球鉸防塵罩的使用需求來看,其實(shí)際工作應(yīng)變一般在50%以內(nèi)。因此,材料的本構(gòu)模型選擇前面所述的Mooney-Rivlin模型,其精度可以滿足分析需求,而且輸入的參數(shù)很簡單。其他零件的材料屬性除了骨架設(shè)為彈塑性以外,其他均設(shè)為剛體。
圖6 平面模型 圖7 分析模型 圖8 網(wǎng)格模型
根據(jù)實(shí)際的裝配關(guān)系,共做了3個(gè)分析步[7]:首先將防塵罩壓入球銷套實(shí)現(xiàn)大端靜密封;然后將轉(zhuǎn)向節(jié)下壓至防塵罩的工作高度,即理論的裝車狀態(tài),這時(shí)小端的動密封形成;最后按設(shè)計(jì)的工作擺角來擺動球銷,這時(shí)防塵罩就會跟隨球銷的擺動,使外部形狀變化。
對分析出來的結(jié)果,通常需要做兩個(gè)方面的解讀和判定。首先由最終的擺動分析步三來看,防塵罩沒有發(fā)生與轉(zhuǎn)向節(jié)干涉的現(xiàn)象,因此,從運(yùn)動變形干涉這一方面可以初步認(rèn)定防塵罩設(shè)計(jì)是可行的。其二,如圖10所示,防塵罩的小端和大端密封部位都有合適的接觸壓強(qiáng)[8],確保了在工作狀態(tài)不會出現(xiàn)間隙,防止了外界泥水進(jìn)入的可能。這個(gè)接觸壓強(qiáng)也不能過大,如果過大會造成抱緊力太大,則會出現(xiàn)當(dāng)球銷有自轉(zhuǎn)運(yùn)動的時(shí)候,防塵罩與球銷卻沒有相對運(yùn)動,發(fā)生防塵罩跟轉(zhuǎn)扭曲的現(xiàn)象。圖11為產(chǎn)品實(shí)際制作后的狀態(tài),與分析結(jié)果吻合較好。
(1) 對汽車球鉸防塵罩而言,其工作應(yīng)變小于50%,采用Mooney-Rivlin橡膠本構(gòu)模型,僅輸入簡單的材料參數(shù)就能滿足分析精度的要求,而且收斂性較好,仿真結(jié)果與實(shí)物一致。
(2) 防塵罩在擺動時(shí),其接觸壓強(qiáng)的波動難以避免,但在設(shè)計(jì)中必須保證有合理的范圍值,既保證外界泥水不會侵入,又要防止與球銷產(chǎn)生抱死,失去動密封的功能。
(3) 對橡膠類超彈材料的有限元分析有其特殊性,在材料的本構(gòu)理論、建模方法、單元選取、網(wǎng)格處理方法上都有一定的技巧,在實(shí)際的工程分析中一定要結(jié)合真實(shí)的工況條件,合理簡化模型,設(shè)置正確的邊界條件,反復(fù)調(diào)試,從中摸索出適應(yīng)于工程需要的高效準(zhǔn)確的仿真解決方案。
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FiniteElementAnalysisofBallJointDustCover
CHEN Yong
(Technical Center,Sichuan Wangjin Machinery Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610200,China)
3D model of ball joint rubber seal dust cover was set up by using ABAQUS software platform, and the process of assembly and swing was simulated. The contact pressure and outline changes of the dust cover in swing working condition were studied. The failure principles of the three types structure design for dust cover were explained. Two kinds of rubber constitutive model Mooney-Rivlin and Ogden were described, and fitting aiming at the data of uniaxial tension test was done. The research results show that the dust cover contact pressure has great nonlinear change in oscillation, illustrating the dust cover deformation in oscillating affects the seal. The outline of dust cover in swinging can’t intervene with steering knuckle, so sealing structure design can meet the demand.
Ball joint dust cover; Failure analysis;Constitutive model;Compound deformation
2015-01-13
陳泳(1975—),男,本科,工程師,研究方向?yàn)槠嚨妆P零部件的設(shè)計(jì)與仿真。E-mail:balljoint@163.com。