劉志恩 楊良凱 莫麗蓉

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

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硬化層對前軸性能的影響研究*

劉志恩1,2)楊良凱1,2)莫麗蓉1,2)

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室1)武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢 430070)

通過對前橋總成進行裝配，以及有限元模型離散，對各部件之間的連接，以及主銷、球頭銷、輪胎的簡化，分析了不同硬化層厚度的車橋系統(tǒng)在3種典型工況下的疲勞強度，得到硬化層與前軸疲勞強度之間的關(guān)系.

硬化層；前軸；疲勞強度

0 引 言

重型汽車前軸是汽車前橋總成的重要構(gòu)件之一，又是汽車整體支撐的主要構(gòu)件.它通過鋼板彈簧與車架相聯(lián)，兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)上安裝車輪，用來在車架與車輪之間傳遞垂向力、縱向力和側(cè)向力，除此之外，前軸還要承受和傳遞制動時的制動力矩以及轉(zhuǎn)彎時的側(cè)向力矩.因此，要求前軸應(yīng)該具有足夠的強度和剛度，以及良好的動態(tài)性能[1].趙凱等[2]在前軸應(yīng)力大小滿足要求的前提下，以質(zhì)量最小化為目的對前軸進行尺寸和形貌的優(yōu)化.于珊珊等[3]分析了客車底板前軸在3種典型工況下的應(yīng)力場和位移分布.孔振海等[4]在分析前橋在4種典型工況下的最大應(yīng)力的前提下，對前橋的疲勞壽命進行預(yù)測.上述文獻均只分析了前軸在典型工況下的應(yīng)力場與位移分布，對于前軸表面硬化層的研究幾乎沒有.

前軸通常采用42CrMo鋼制造，因為前軸在使用過程中既要承受垂直平面的交變彎曲疲勞，又要承受一定的沖擊載荷，其惡劣的工作環(huán)境決定了其熱處理技術(shù)質(zhì)量的高要求.因此，前軸不但要具備較高的抗彎曲疲勞性能，而且要有較好的強韌性配合.陳希原[5]對前軸鍛件進行了鍛后余熱淬火熱處理工藝試驗研究與批量成產(chǎn)應(yīng)用，提高了前軸的強韌性和疲勞壽命，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期.王昌凱等[6]對前軸的硬度、金相組織、力學(xué)性能和斷口等進行分析，發(fā)現(xiàn)造成前軸斷裂的原因.于連新[7]對重型汽車前軸的熱處理工藝的實驗以及金相組織進行分析，制定了合理的熱處理工藝.上述文獻均對重型汽車前軸的熱處理工藝進行了探討，但是對于熱處理工藝與前軸疲勞強度之間的關(guān)系的研究幾乎沒有.

在前軸熱處理工藝過程中，其表面會生成一層硬化層，該硬化層的厚度和剛度對前軸各性能產(chǎn)生影響.因此，對硬化層進行研究，對于提高前軸的疲勞強度和疲勞壽命十分有利.

傳統(tǒng)的計算過程一般先對前軸進行受力分析，然后將輪胎接地點的受力轉(zhuǎn)化到前軸兩端主銷孔中心或板簧孔中心來計算前軸的受力狀況，計算過程復(fù)雜，并且忽略了前橋各個零部件之間的裝配關(guān)系，以及輪胎的剛度等，計算結(jié)果和實際情況相差較大.文中將車橋的整個系統(tǒng)裝配起來，考慮各部件之間的裝配關(guān)系，直接在輪胎接地點進行載荷的加載，計算過程直接明了且與實際過程更加吻合.

1 前橋有限元模型

1.1 前橋有限元模型的建立

車橋系統(tǒng)由以下幾部分組成：前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、直拉桿臂，轉(zhuǎn)向橫拉桿，以及橫拉桿臂.各部件材料均為42CrMo，密度ρ=7.9×103kg/m3,彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，材料屈服極限σy=930 MPa.前軸相關(guān)參數(shù)，見表1.

表1 某重型商用車前橋相關(guān)參數(shù)

采用Hypermesh作為前處理軟件對車橋系統(tǒng)進行有限元離散，對硬化層分別離散成0.5，1，1.5 mm 3種不同厚度的網(wǎng)格，主要采用C3D10單元，部分采用C3D8單元，單元總數(shù)約為163 W個.

1.2 前橋有限元模型連接關(guān)系的處理

將有限元模型導(dǎo)入Abaqus，根據(jù)各零部件的相互作用,定義其運動關(guān)系.主要包括螺栓的處理、主銷的處理以及主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸之間的運動關(guān)系的處理、球頭銷的處理、輪胎的處理等.

轉(zhuǎn)向節(jié)與橫拉桿臂、直拉桿臂之間的連接為螺栓連接，采用MPC梁單元連接螺栓安裝孔內(nèi)表面；主銷處分別建立局部坐標系，前軸主銷孔中心、轉(zhuǎn)向節(jié)上下主銷孔中心與各自主銷孔內(nèi)表面的耦合連接關(guān)系，并釋放繞主銷軸線的轉(zhuǎn)動自由度，采用MPC梁單元分別連接前軸主銷孔中心與轉(zhuǎn)向節(jié)上下孔中心；橫拉桿臂與橫拉桿通過球頭銷連接，建立球頭銷中心與球頭銷罩的運動耦合關(guān)系，釋放其3個方向的轉(zhuǎn)動自由度，并采用MPC梁單元連接球頭銷中心與球頭銷末端中心；用集中質(zhì)量代替輪胎(包括制動器、輪轂等)，施加在輪胎的幾何中心，并建立集中質(zhì)量點與轉(zhuǎn)向節(jié)軸線段的運動耦合關(guān)系，釋放繞轉(zhuǎn)向節(jié)軸線的轉(zhuǎn)動自由度，在集中質(zhì)量點下端建立3個點來模擬輪胎接地點，并用MPC梁單元與集中質(zhì)量點連接，同時用6個接地彈簧來模擬輪胎的剛度.

1.3 前橋有限元模型驗證

轉(zhuǎn)向節(jié)、橫向拉桿、直拉桿、方向機等組成轉(zhuǎn)向系統(tǒng).左右轉(zhuǎn)向節(jié)同時繞Z軸順時針旋轉(zhuǎn)，前軸保持不動，與整車在地面上車輪向有轉(zhuǎn)動時一致，達到了轉(zhuǎn)向的效果，驗證了模型的準確性.

2 前橋受力分析

前橋的受力分析主要考慮3種工況：最大垂直載荷工況;最大制動力工況;側(cè)滑工況.從方向上來看，前橋的受力基本分為垂直力、縱向力和側(cè)向力.根據(jù)汽車在行駛過程中的受力分析可知：最大垂直載荷工況為汽車越過不平路面時的受力工況，只受垂直力的作用；最大制動力工況為汽車緊急制動時的受力工況，主要受到垂直力和縱向力的作用；側(cè)滑工況為汽車急速轉(zhuǎn)彎發(fā)生側(cè)滑時的受力工況，主要受到垂直力和側(cè)向力的作用.

1) 最大垂直載荷工況 此工況下前橋僅受垂直力的作用，分別作用在左右2個車輪的接地點，大小為

ZL=ZR=1/2KdG

(1)

式中：Kd為安全系數(shù)，取3.5；G為前軸滿載軸荷.

2) 最大制動力工況 此工況下前橋受到垂直力和縱向力的組合作用，同時轉(zhuǎn)向節(jié)還收到制動器提供的制動力矩的作用.垂直力和縱向力作用在輪胎接地點，制動器的制動力矩分別作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的制動轂安裝孔處.垂直力大小為

(2)

式中：m′為制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù),m′=1+(hg×φ)/b.其中：hg為整車滿載質(zhì)心高度；φ為輪胎與路面間的附著系數(shù)，制動時取0.6；b為整車質(zhì)心到后橋中心線的水平距離[8].

縱向制動力為

(3)

制動器制動力矩為

(4)

式中：M制為制動器的最大制動力矩，取15 000 N·m.

3) 側(cè)滑工況 此工況為汽車急速轉(zhuǎn)彎時的受力工況，假設(shè)汽車向右急轉(zhuǎn)彎，當汽車將要發(fā)生側(cè)滑時，右輪不受任何里，故左輪承受垂直力和側(cè)向力的共同作用，大小為

(5)

(6)

(7)

式中：B為前輪距；hg為滿載質(zhì)心高度；φ′為側(cè)滑系數(shù).

根據(jù)上述受力分析，最終計算得出各工況下的載荷加載情況,見表2.

表2 各工況下載荷

3 計算結(jié)果及分析

分別建立0，0.5，1，1.5 mm厚度硬化層的車橋系統(tǒng)模型，根據(jù)受力分析的工況進行約束載荷加載：載荷加載在輪胎接地點以及轉(zhuǎn)向節(jié)制動轂安裝孔；約束施加在左右板簧孔中心，左端約束X,Y,Z3個方向的平動,以及Y方向的轉(zhuǎn)動，右端約束X,Z方向的平動以及Y方向的轉(zhuǎn)動.各工況的計算結(jié)果見表3.各工況下前軸的應(yīng)力云圖和位移云圖見圖1～6.

最大垂直載荷工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.5 mm

表3 3種工況下前軸的最大應(yīng)力和最大位移

圖1 最大垂直載荷工況應(yīng)力云圖

圖2 最大垂直載荷工況位移云圖

圖3 緊急制動工況應(yīng)力云圖

圖4 緊急制動工況位移云圖

圖5 側(cè)滑工況應(yīng)力云圖

圖6 側(cè)滑工況位移云圖

硬化層厚度條件下，大小為402.45 MPa，出現(xiàn)在前軸中間工字梁底部；最大位移為10.59 mm，出現(xiàn)在前軸左右兩端主銷孔處，而且在0.5 mm硬化層厚度條件下，前軸右端軸頸與主銷孔連接處下端出現(xiàn)了應(yīng)力集中，加大了此處出現(xiàn)疲勞斷裂的風險.

緊急制動工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.5 mm硬化層厚度條件下，大小為364.86 MPa，出現(xiàn)在前軸中部工字梁上端靠近板簧面處；最大位移值6.37 mm，出現(xiàn)在前軸兩端主銷孔處.

側(cè)滑工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.5 mm硬化層厚度條件下，大小為307.39 MPa，出現(xiàn)在工字梁中部鏤空處；最大位移出現(xiàn)在無硬化層條件下，大小為3.94 mm，出現(xiàn)在前軸左端主銷孔處.

對比0.5，1，1.5 mm厚度硬化層的計算結(jié)果可知，隨著硬化層厚度的增加，前軸的應(yīng)力和位移值均隨之降低，說明硬化層的厚度對前軸的疲勞強度有較大影響；但是在0.5 mm硬化層厚度條件下，其應(yīng)力值均比沒有硬化層的前軸大，說明合適的硬化層才能有效增大前軸的疲勞強度；在緊急制動工況下，0.5，1 mm硬化層厚度條件下的應(yīng)力位移值均大于沒有硬化層的值，且1.5 mm硬化層厚度條件下的應(yīng)力位移值與沒有硬化層的幾乎沒有差別，說明硬化層和前軸的疲勞強度在緊急制動工況下呈負相關(guān)，且這種相關(guān)性隨著硬化層厚度的增加逐漸減弱.

4 結(jié) 論

1) 建立了不同硬化層厚度下的車橋系統(tǒng)有限元模型并對有限元模型的準確性進行了驗證.

2) 硬化層對于提高前軸疲勞強度有顯著的影響.

3) 只有合適的硬化層厚度才能有效提高前軸疲勞強度，否則會增大前軸出現(xiàn)疲勞斷裂的風險.

4) 硬化層和前軸的疲勞強度在緊急制動工況下呈負相關(guān)，且這種相關(guān)性隨著厚度的增加逐漸減弱.

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The Research of the Influence of the Hardening Layer on the Front Axle

LIU Zhi’en1,2)YANG Liangkai1,2)MO Lirong1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

This paper calculates the fatigue strength of vehicle-bridge system under three typical conditions, by assembling the front axle and discretization of the finite element model based on Hypemesh.in Abaques. The connecting components, swizzle and tire are simplified. In this paper, the process of calculation is straightforward, and finally the relationship between the hardening layer and the fatigue strength of the front axle is obtained.

hardening layer; front axle; fatigue strength

2016-08-23

*國家自然科學(xué)基金項目資助(51575410)

U469.21 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.006

劉志恩(1977- )：男,博士，副教授，主要研究領(lǐng)域為汽車CAD/CAE