萬向錢潮(桂林)汽車底盤部件有限公司 (廣西 541004) 滕明權(quán)
車輪是一個高速轉(zhuǎn)動、承受車輛重量及運動沖擊的關(guān)鍵安全件,通過螺栓與輪轂聯(lián)接,螺母座剛度關(guān)系到聯(lián)接的可靠性。轎車鋼制車輪的螺母座剛度需符合汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T258—1998的規(guī)定,在產(chǎn)品開發(fā)過程中,通常是依靠經(jīng)驗進行設(shè)計,做出樣品后再進行試驗驗證,設(shè)計常需反復(fù)修改,開發(fā)周期長,浪費大量人力、物力。隨著有限元分析軟件的推廣應(yīng)用,在車輪開發(fā)中引進了有限元分析軟件ABAQUS,為在設(shè)計初期對螺母座進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提供了改進依據(jù),縮短了開發(fā)時間,節(jié)約了成本。
車輪螺母座剛度試驗可采用垂直力加載法進行,如圖1所示,將車輪放在底座上,通過螺栓按試驗要求加載垂直力,試驗后,每個螺母座的永久變形量應(yīng)≤0.3mm。用UG建立車輪輪輻模型,如圖2所示。由于螺母座為4孔均布,結(jié)構(gòu)和載荷具有對稱性,故取1/4進行分析,經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn),輪輻外側(cè)對螺母座剛度的影響非常小,為降低分析計算量,只取輪輻中間部分進行分析,分析模型如圖3所示。
圖1 垂直力加載法
圖2 車輪輪輻幾何模型
圖3 車輪輪輻1/4分析模型
(1)導(dǎo)入部件 將分析模型導(dǎo)入ABAQUS,為降低分析計算量,輪輻設(shè)為殼部件,底座設(shè)為剛體,加載力直接作用于螺母座錐面。
(2)確定材料屬性 車輪螺母座剛度試驗屬于塑性永久變形量檢測,采用彈塑性材料屬性,應(yīng)用Mises屈服準(zhǔn)則 。輪輻材料為SAPH440厚4.0mm鋼板,楊氏模量取210000MPa,泊松比取0.3,對SAPH440鋼板進行單向拉伸試驗,獲得名義應(yīng)力、應(yīng)變曲線,在ABAQUS中用真實應(yīng)力、塑性應(yīng)變定義材料塑性,將名義應(yīng)力、應(yīng)變換算后可獲得真實應(yīng)力、塑性應(yīng)變值,如附表所示。
(3)定義相互作用 按實際接觸情況,在輪輻與底座之間建立STANDARD表面與表面接觸對。為簡化模型,在螺母座錐面中線上建立參照點,并與錐面耦合,作為加載點,替代螺母,如圖4所示。
(4)定義載荷及邊界條件按實際情況,底座施加固定約束,輪輻施加對稱約束。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QC/T258—1998,采用垂直力加載法,如圖1所示,采用M12螺栓時,初負荷4200N→試驗載荷50000N→卸載荷到4200N,初負荷點與卸載荷點的變形量之差,即為螺母座的永久變形量,本文采用三個分析步驟來實現(xiàn)上述加載,如圖5所示。
應(yīng)力應(yīng)變值
圖4 相互作用
(5)劃分網(wǎng)格輪輻形狀復(fù)雜,采用種子為1的四邊形自由網(wǎng)格,單元類型為STANDARD殼線性減縮積分S4R,網(wǎng)格模型如圖6所示。
圖5 載荷及邊界條件
圖6 網(wǎng)格模型
從應(yīng)力云圖可看出,應(yīng)力主要集中在螺母座周圍,如圖7所示。從位移-載荷-時間曲線可看出,變形量隨載荷的變化趨勢(見圖8),在初負荷4200N時,變形量為0.022mm,在試驗載荷50000N時,變形量為0.42mm,卸載荷到4200N時,變形量為0.28mm,永久變形量為0.258mm,符合標(biāo)準(zhǔn)QC/T258—1998的要求,每個螺母座的永久變形量應(yīng)≤0.3mm。在實際生產(chǎn)中,本文所分析車輪的螺母座鋼度,試驗后永久變形量為0.20~0.25mm,有限元分析結(jié)果與實際結(jié)果符合度較高。
圖7 應(yīng)力分布圖
圖8 位移-載荷-時間曲線圖