硬化層對(duì)前軸性能的影響研究*

劉志恩 楊良凱 莫麗蓉

(現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(汽車(chē)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(duì)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(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)武漢 430070)(汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢 430070)

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

硬化層；前軸；疲勞強(qiáng)度

0 引 言

重型汽車(chē)前軸是汽車(chē)前橋總成的重要構(gòu)件之一，又是汽車(chē)整體支撐的主要構(gòu)件.它通過(guò)鋼板彈簧與車(chē)架相聯(lián)，兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)上安裝車(chē)輪，用來(lái)在車(chē)架與車(chē)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(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩以及轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)向力矩.因此，要求前軸應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以及良好的動(dòng)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(duì)前軸進(jìn)行尺寸和形貌的優(yōu)化.于珊珊等[3]分析了客車(chē)底板前軸在3種典型工況下的應(yīng)力場(chǎng)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(duì)前橋的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè).上述文獻(xiàn)均只分析了前軸在典型工況下的應(yīng)力場(chǎng)與位移分布，對(duì)于前軸表面硬化層的研究幾乎沒(méi)有.

前軸通常采用42CrMo鋼制造，因?yàn)榍拜S在使用過(guò)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(qiáng)韌性配合.陳希原[5]對(duì)前軸鍛件進(jìn)行了鍛后余熱淬火熱處理工藝試驗(yàn)研究與批量成產(chǎn)應(yīng)用，提高了前軸的強(qiáng)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(duì)前軸的硬度、金相組織、力學(xué)性能和斷口等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)造成前軸斷裂的原因.于連新[7]對(duì)重型汽車(chē)前軸的熱處理工藝的實(shí)驗(yàn)以及金相組織進(jìn)行分析，制定了合理的熱處理工藝.上述文獻(xiàn)均對(duì)重型汽車(chē)前軸的熱處理工藝進(jìn)行了探討，但是對(duì)于熱處理工藝與前軸疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系的研究幾乎沒(méi)有.

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

傳統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程一般先對(duì)前軸進(jìn)行受力分析，然后將輪胎接地點(diǎn)的受力轉(zhuǎn)化到前軸兩端主銷(xiāo)孔中心或板簧孔中心來(lái)計(jì)算前軸的受力狀況，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，并且忽略了前橋各個(gè)零部件之間的裝配關(guān)系，以及輪胎的剛度等，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況相差較大.文中將車(chē)橋的整個(gè)系統(tǒng)裝配起來(lái)，考慮各部件之間的裝配關(guān)系，直接在輪胎接地點(diǎn)進(jìn)行載荷的加載，計(jì)算過(guò)程直接明了且與實(shí)際過(guò)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(chē)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(jiàn)表1.

表1 某重型商用車(chē)前橋相關(guān)參數(shù)

采用Hypermesh作為前處理軟件對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)進(jìn)行有限元離散，對(duì)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(gè).

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(yùn)動(dòng)關(guān)系.主要包括螺栓的處理、主銷(xiāo)的處理以及主銷(xiāo)與轉(zhuǎn)向節(jié)、前軸之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的處理、球頭銷(xiāo)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?jiǎn)卧B接螺栓安裝孔內(nèi)表面；主銷(xiāo)處分別建立局部坐標(biāo)系，前軸主銷(xiāo)孔中心、轉(zhuǎn)向節(jié)上下主銷(xiāo)孔中心與各自主銷(xiāo)孔內(nèi)表面的耦合連接關(guān)系，并釋放繞主銷(xiāo)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，采用MPC梁?jiǎn)卧謩e連接前軸主銷(xiāo)孔中心與轉(zhuǎn)向節(jié)上下孔中心；橫拉桿臂與橫拉桿通過(guò)球頭銷(xiāo)連接，建立球頭銷(xiāo)中心與球頭銷(xiāo)罩的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，釋放其3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，并采用MPC梁?jiǎn)卧B接球頭銷(xiāo)中心與球頭銷(xiāo)末端中心；用集中質(zhì)量代替輪胎(包括制動(dòng)器、輪轂等)，施加在輪胎的幾何中心，并建立集中質(zhì)量點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)軸線段的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，釋放繞轉(zhuǎn)向節(jié)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在集中質(zhì)量點(diǎn)下端建立3個(gè)點(diǎn)來(lái)模擬輪胎接地點(diǎn)，并用MPC梁?jiǎn)卧c集中質(zhì)量點(diǎn)連接，同時(shí)用6個(gè)接地彈簧來(lái)模擬輪胎的剛度.

1.3 前橋有限元模型驗(yàn)證

轉(zhuǎn)向節(jié)、橫向拉桿、直拉桿、方向機(jī)等組成轉(zhuǎn)向系統(tǒng).左右轉(zhuǎn)向節(jié)同時(shí)繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，前軸保持不動(dòng)，與整車(chē)在地面上車(chē)輪向有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)一致，達(dá)到了轉(zhuǎn)向的效果，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)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(dòng)力工況;側(cè)滑工況.從方向上來(lái)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(chē)在行駛過(guò)程中的受力分析可知：最大垂直載荷工況為汽車(chē)越過(guò)不平路面時(shí)的受力工況，只受垂直力的作用；最大制動(dòng)力工況為汽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)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(chē)急速轉(zhuǎn)彎發(fā)生側(cè)滑時(shí)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(gè)車(chē)輪的接地點(diǎn)，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(dòng)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(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)還收到制動(dòng)器提供的制動(dòng)力矩的作用.垂直力和縱向力作用在輪胎接地點(diǎn)，制動(dòng)器的制動(dòng)力矩分別作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的制動(dòng)轂安裝孔處.垂直力大小為

(2)

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

縱向制動(dòng)力為

(3)

制動(dòng)器制動(dòng)力矩為

(4)

式中：M制為制動(dòng)器的最大制動(dòng)力矩，取15 000 N·m.

3) 側(cè)滑工況 此工況為汽車(chē)急速轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力工況，假設(shè)汽車(chē)向右急轉(zhuǎn)彎，當(dāng)汽車(chē)將要發(fā)生側(cè)滑時(shí)，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(jì)算得出各工況下的載荷加載情況,見(jiàn)表2.

表2 各工況下載荷

3 計(jì)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(chē)橋系統(tǒng)模型，根據(jù)受力分析的工況進(jìn)行約束載荷加載：載荷加載在輪胎接地點(diǎn)以及轉(zhuǎn)向節(jié)制動(dòng)轂安裝孔；約束施加在左右板簧孔中心，左端約束X,Y,Z3個(gè)方向的平動(dòng),以及Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，右端約束X,Z方向的平動(dòng)以及Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng).各工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.各工況下前軸的應(yīng)力云圖和位移云圖見(jiàn)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(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖4 緊急制動(dòng)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(xiāo)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(xiāo)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(fēng)險(xiǎn).

緊急制動(dòng)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(xiāo)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(wú)硬化層條件下，大小為3.94 mm，出現(xiàn)在前軸左端主銷(xiāo)孔處.

對(duì)比0.5，1，1.5 mm厚度硬化層的計(jì)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(shuō)明硬化層的厚度對(duì)前軸的疲勞強(qiáng)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(méi)有硬化層的前軸大，說(shuō)明合適的硬化層才能有效增大前軸的疲勞強(qiáng)度；在緊急制動(dòng)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(méi)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(méi)有硬化層的幾乎沒(méi)有差別，說(shuō)明硬化層和前軸的疲勞強(qiáng)度在緊急制動(dòng)工況下呈負(fù)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(chē)橋系統(tǒng)有限元模型并對(duì)有限元模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證.

2) 硬化層對(duì)于提高前軸疲勞強(qiáng)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(qiáng)度，否則會(huì)增大前軸出現(xiàn)疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn).

4) 硬化層和前軸的疲勞強(qiáng)度在緊急制動(dòng)工況下呈負(fù)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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?yàn)槠?chē)CAD/CAE