汽車前軸鍛件輕量化設(shè)計(jì)方法

文/朱國軍，徐迪·湖北三環(huán)車橋有限公司

節(jié)能環(huán)保、安全智能是當(dāng)前汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，主機(jī)廠采取的最有效的應(yīng)對(duì)措施是輕量化設(shè)計(jì)，而前軸作為汽車上最大的鍛件，其結(jié)構(gòu)輕量化對(duì)整車減重具有顯著的貢獻(xiàn)。

早期由于國內(nèi)缺乏相關(guān)的研發(fā)能力，前軸鍛件產(chǎn)品均從國外引進(jìn)，如斯太爾、曼、日產(chǎn)153、五十鈴等，國內(nèi)以此為基礎(chǔ)平臺(tái)，通過對(duì)比修改，衍生出一系列前軸鍛件產(chǎn)品。但由于缺乏有效的模擬分析手段和足夠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大多數(shù)設(shè)計(jì)師都過度依賴安全系數(shù)，導(dǎo)致前軸鍛件在設(shè)計(jì)階段就存在肥大、厚重的現(xiàn)象。此外，在樣件做臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，如果出現(xiàn)前軸斷裂，往往傾向于增大前軸截面或更換材料來提升疲勞壽命，進(jìn)一步加劇了前軸鍛件肥大超重的現(xiàn)象。與國外同噸位產(chǎn)品對(duì)比，這一現(xiàn)象十分顯著（表1）。

表中選取7.5t和6.5t兩個(gè)典型平臺(tái)產(chǎn)品，通過對(duì)比可見，在同等載荷、同等材料的條件下，國內(nèi)6.5t前軸產(chǎn)品比國外重約10kg，而7.5t前軸產(chǎn)品比國外重了20kg左右。

三環(huán)車橋作為國內(nèi)最大的前軸鍛件專業(yè)化生產(chǎn)廠家，鍛件毛坯品種多達(dá)150種，產(chǎn)品已大批量出口德國、美國、日本、印度等十幾個(gè)國家，因此前軸鍛件的輕量化設(shè)計(jì)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

公司通過自主設(shè)計(jì)和對(duì)比國外同類產(chǎn)品，形成了汽車前軸鍛件輕量化的設(shè)計(jì)方法，并成功為國內(nèi)外主機(jī)廠提供了近十個(gè)輕量化平臺(tái)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品較之前產(chǎn)品重量減輕了8～15kg，且疲勞試驗(yàn)及性能試驗(yàn)全部通過驗(yàn)證。

前軸鍛件結(jié)構(gòu)受力分析

前軸作為安保件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要求強(qiáng)度有一定的富余，但是對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)者來說，要得出準(zhǔn)確有效的安全系數(shù)，并不是一件容易的事情，這里以6.5t前軸為例，通過分析其受力情況，給出一般的分析方法。

表1 國內(nèi)外前軸鍛件對(duì)比

將前軸按一維梁處理，不考慮局部細(xì)節(jié)，將截面簡化為標(biāo)準(zhǔn)的工字梁截面，不考慮拔模和圓角，并將截面的上下邊界視為平面。

圖1是前軸疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，用于模擬真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境。圖中前軸兩鋼板面受垂直力F，左右兩端受轉(zhuǎn)向節(jié)端面支撐力FR。為便于計(jì)算分析，將左右兩端的銷孔視作簡支，將F視作恒定力而不是循環(huán)變化的力，其受力示意圖見圖2。

圖1 前軸疲勞試驗(yàn)受力圖

圖2 前軸受力示意圖

以前軸中間為X軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)力的平衡原理，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的各截面求得彎矩，繪制為以下的彎矩圖見圖3。

由圖3可見，在疲勞試驗(yàn)的加載下，前軸非彎曲段（兩個(gè)集中載荷之間）的彎矩值大致相等，且為前軸彎矩最大的部位，彎矩值正比于集中力的值與彎曲段（介于支撐端與集中載荷作用處之間）的長度。在彎矩作用下，截面的最大應(yīng)力正比于彎矩的數(shù)值，由于前軸兩端彎矩值很小，所以應(yīng)力也很小，理論上兩端不會(huì)首先損壞（否則可能是工藝缺陷），這也與前軸的實(shí)際使用需求相符合。

圖3 前軸彎矩圖

對(duì)前軸鍛件的CAE分析

在分析受力情況之后，采用UG8.5對(duì)前軸鍛件做有限元分析，步驟如下：

⑴建立T13L0和EQ153前軸的幾何模型；

⑵設(shè)置前軸材料為42CrMo（E=212GPa，μ=0.28）；

⑶對(duì)實(shí)體劃分網(wǎng)格（圖4）；

⑷約束與載荷，以實(shí)際前軸臺(tái)架試驗(yàn)為依據(jù)，將約束加載于前軸兩瓜頭主銷孔處，而將載荷加載在前軸鋼板面處。前軸彎曲載荷受力圖見圖5。

圖4 前軸實(shí)體網(wǎng)格圖

圖5 前軸彎曲載荷受力圖

⑸計(jì)算求解，按3.5倍額定載荷加載，計(jì)算結(jié)果分別見圖6和圖7。

圖6 靜載位移云圖

圖7 靜載應(yīng)力云圖

⑹CAE結(jié)果分析，由圖6和圖7中可以看出，在3.5倍載荷下工字梁板簧座內(nèi)側(cè)背部處應(yīng)力值最大，最大值為470.8MPa，小于工字梁材料42CrMo的屈服強(qiáng)度（930MPa），實(shí)際工字梁技術(shù)要求硬度為277～331HB，按下限對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度在880MPa。按平均930MPa做判定標(biāo)準(zhǔn)，則前軸各部位安全系數(shù)見表2。由表2中可見，應(yīng)力最大點(diǎn)處過渡區(qū)背部的安全系數(shù)為6.91，屬正常合理的范圍；而工字梁大部分區(qū)域的應(yīng)力僅有323MPa，安全系數(shù)達(dá)到了10，有較大余量，而其他部位則安全系數(shù)更大，不做考慮。

與國外前軸鍛件的對(duì)比

國外同樣對(duì)前軸鍛件做輕量化設(shè)計(jì)，不斷優(yōu)化產(chǎn)品。圖8是國外某款6.5t前軸鍛件，輕量化之后鍛件成品重量只有72.8kg，比原狀態(tài)減輕13kg。

表2 前軸各部位安全系數(shù)

通過加載同樣的約束載荷，計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10。

圖8 國外6.5t輕量化前軸鍛件

圖9 同等載荷下的應(yīng)力云圖

圖10 同等載荷下的位移云圖

國內(nèi)和國外兩種前軸對(duì)比見表3，從表3中可見，兩款前軸產(chǎn)品，在都采用42CrMo，且載荷約束條件相同的情況下，即使國外產(chǎn)品比國內(nèi)產(chǎn)品輕20kg，最大應(yīng)力和最大位移并無顯著的變化。

表3 國內(nèi)外前軸產(chǎn)品對(duì)比

前軸鍛件輕量化的設(shè)計(jì)方法

通過對(duì)比分析，揭示前軸鍛件輕量化的設(shè)計(jì)方法。

⑴工字梁中間截面決定整支前軸的載荷和重量。從受力分析圖和CAE分析結(jié)果都可以看出，工字截面是位移最大和受彎矩最大區(qū)域，因此強(qiáng)度計(jì)算是以工字截面最薄弱點(diǎn)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

圖11表明通過增加截面高度，可以提高抗彎截面模量，通過減小凸緣厚度，可將截面積減少28%，但工字梁應(yīng)力值與之相當(dāng)，沒有明顯差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明該結(jié)構(gòu)滿足疲勞試驗(yàn)要求，說明T45L0前軸鍛件截面設(shè)計(jì)有較大富余。

圖11 截面對(duì)比圖

⑵工字梁過渡區(qū)下背緣處是最危險(xiǎn)區(qū)，二級(jí)落差增加了最大應(yīng)力值，相應(yīng)安全系數(shù)會(huì)降低。從CAE分析可以看出，前軸設(shè)計(jì)危險(xiǎn)截面都是在工字梁與板簧座過渡區(qū)背部，而在同等截面尺寸的情況下，下凸緣處有二級(jí)落差比無落差平直前軸應(yīng)力明顯增大。增大過渡圓角、延長過渡區(qū)長度，使過渡更平緩是降低危險(xiǎn)截面風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的辦法。

⑶局部材料優(yōu)化不會(huì)影響整體強(qiáng)度。對(duì)比圖12和圖13可見，國外前軸在工字梁中間部位采用鏤空設(shè)計(jì)，減輕2～3kg，而CAE分析和實(shí)驗(yàn)表明，合適的鏤空結(jié)構(gòu)，不僅不會(huì)降低強(qiáng)度，反而可以改變工字截面的最大位移，有利于提高疲勞壽命。

⑷大彎過渡區(qū)處加強(qiáng)塊結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)前軸抗扭轉(zhuǎn)性能。前軸輕量化設(shè)計(jì)，不僅要考慮抗彎載荷，實(shí)際行車過程中還需考慮剎車時(shí)承受的沖擊載荷，例如圖12中7101前軸加強(qiáng)塊結(jié)構(gòu)提高前軸抗扭轉(zhuǎn)性能。

圖12 國外7101輕量化前軸

圖13 國內(nèi)T45L0前軸

結(jié)論

⑴國內(nèi)前軸鍛件肥大，尺寸設(shè)計(jì)有富余是普遍現(xiàn)象，通過對(duì)前軸受力分析可知，兩板簧座中間工字梁區(qū)域承受最大彎矩，其中間點(diǎn)也是最大位移處。

⑵通過CAE分析可以判定，實(shí)際工字梁截面安全系數(shù)還是非常高的，也造成了實(shí)際鍛件肥大材料浪費(fèi)，所以可以適當(dāng)放大工字中間的應(yīng)力值，采用加高工字截面、減小凸緣厚度、減少截面面積的方法來對(duì)鍛件輕量化。

⑶最大應(yīng)力點(diǎn)集中在工字梁到板簧座過渡區(qū)部位，該部位決定了前軸最終的疲勞壽命，因此在設(shè)計(jì)制造過程中，應(yīng)對(duì)該部位最薄弱點(diǎn)做細(xì)節(jié)處理，盡可能地用圓滑過渡來降低最大應(yīng)力值。

⑷通過工字截面中部鏤空結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化，已在國外有大量應(yīng)用實(shí)例，但這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核驗(yàn)證、鍛造和熱處理工藝等難度較大，會(huì)增加一定的成本，但仍是未來前軸輕量化的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

⑸實(shí)際前軸鍛件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造工藝密切相關(guān)，如鍛造、鐓平工藝對(duì)前軸重量也會(huì)有很大影響，前軸的材料、熱處理工藝、拋丸、探傷過程、鍛件表面質(zhì)量等，都會(huì)影響其強(qiáng)度。