基于Creo Simulate的后轴头疲劳寿命分析及结构改进研究

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０１８.１１.０２４
基于ＣｒｅｏＳｉｍｕｌａｔｅ的后轴头疲劳寿命分析及结构改进研究
李㊀强
(烟台汽车工程职业学院机电工程系ꎬ山东烟台㊀２６５５００)
摘要:为了分析后轴头轴套断裂的原因ꎬ首先运用Ｃｒｅｏ对后轴头进行了建模ꎻ其次使用Ｃｒｅｏ的Ｓｉｍｕｌａｔｅ模块先进行模型材料设置ꎬ接着设置对称约束ꎬ然后进行网格划分ꎬ计算出后轴头的静载荷ꎻ再次采用ＲｅｃｕｒＤｙｎ软件获得动态载荷ꎬ并对后轴头进行疲劳寿命分析ꎬ得到疲劳寿命的安全因子云图和置信度云图ꎬ证明后轴头轴套的疲劳寿命分析结果与实际断裂位置相符ꎻ最后对后轴头结构进行改进ꎬ得到了合理的结构参数ꎮ关键词:后轴头ꎻ断裂ꎻ疲劳寿命ꎻ分析ꎻ改进设计
中图分类号:Ｕ４６９ꎻＴＨ１３３㊀㊀文献标识码:Ｂ㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０１８)１１－０１０５－０４㊀㊀轿车后轴头在某些车型上用于连接轮毂和后轴ꎮ轿车后轴头在刹车鼓盖本体的基础上ꎬ通过在刹车鼓盖上一体铸造一个轴套来制成ꎮ轴套内安装轴承ꎬ轴承与后轴连接ꎬ这样后轴头就代替了传统的轮毂法兰ꎬ起到降低结构复杂度和压缩成本的作用ꎮ由此可知ꎬ后轴头的强度对整车的安全性和使用寿命有着很大的影响ꎮ在某些车型的开发中设计者会根据经验进行设计ꎬ常常导致设计出来的后轴头在实际使用中无法满足某些路况要求ꎬ经常发生后轴头轴套断裂的现象ꎬ因此对后轴头轴套断裂的原因进行分析并对结构进行改进就显得尤为重要ꎮ
１㊀模型的建立
研究对象为某型轿车后半轴采用的后轴头ꎬ该后轴头主要包括定位凸缘㊁盖体㊁加强筋㊁连接孔和轴套ꎮ其安装轴承后的１/４剖视图如图１所示ꎮ
１.１㊀实体模型的建立
后轴头总体呈回转体对称分布ꎬ尺寸通过测绘真实产品获得ꎮ建模时在Ｃｒｅｏ软件中采用局部特征逐步拉伸法来生成后轴头的三维模型ꎬ使得各个局部特征的参数在局部特征内相关ꎬ以利于后期的改进设计ꎮ在建立实体模型时ꎬ不考虑小尺寸的圆
图１㊀后轴头１/４剖视图
角㊁倒角以及其他对分析影响不大的尺寸ꎮ根据后轮轴头的对称性ꎬ建立１/２实体模型ꎬ如图２所示ꎮ
图２㊀实体分析模型
１.２㊀有限元模型的建立
采用Ｃｒｅｏ的Ｓｉｍｕｌａｔｅ模块中的ＡｕｔｏＧＥＭ工具对模型进行网格划分ꎬ该工具运用Ｐ－Ｍｅｔｈｏｄ技术
收稿日期:２０１８－０７－１２
基金项目:山东省高校科技计划项目(Ｊ１６ＬＢ５６)
作者简介:李强(１９７９ )ꎬ男ꎬ山东烟台人ꎬ烟台汽车工程职业学院讲师ꎬ硕士ꎬ主要研究方向为机械ＣＡＤ/ＣＡＥꎮ
５０１ ２０１８年１１月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｎｏｖ.２０１８第４７卷第１１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４７Ｎｏ.１１
自动划分网格单元ꎮ整个实体模型主要采用四面体单元划分网格ꎬ网格划分后ꎬ得到的模型总节点数为
６２６个ꎬ模型总单元数为１６８３个ꎬ如图３所示ꎮ
图３㊀有限元模型
２㊀后轴头的有限元分析
ＣＡＥ技术在汽车零部件性能分析中被广泛使用ꎬ特别是用于强度分析ꎮ根据分析结果可以预知产生疲劳破坏的位置ꎬ进而在开发阶段对其结构进行改进以达到所要求的力学性能[１]ꎮ
２.１㊀材料参数
计算中所使用的材料参数见表１ꎮ
表１㊀材料及主要参数
材料弹性模量
Ｅ/ＧＰａ泊松比μ
强度极限
σｂ/ＭＰａ密度ρ/
(ｋｇ ｍ－３)
ＨＴ２００１２４０.２６２２０７２００２.２㊀边界约束及载荷处理
工况是汽车在行程的整个生命周期中使用或可能使用的路况ꎮ汽车在行驶过程中ꎬ轮毂轴承外部载荷等价于轮胎的外部载荷[２]ꎮ则对于后轴头的轴套ꎬ其外部载荷的计算公式为[３]:
Ｆｚ＝ｍｇ２(１＋２ＨＴ ａｇｇ)(１)式中:Ｆｚ为径向载荷ꎬ方向垂直向上ꎬＮꎻｍ为满载时后轴质量ꎬｋｇꎻＨ为轿车质心高度ꎬｍｍꎻＴ为后轴轮距ꎬｍｍꎻｇ为重力加速度ꎬ取值为９.８１ｍ/ｓ２ꎻａｇ为侧向加速度ꎬ取最大值为０.５５ｇꎮ
某轿车的整车参数见表２ꎮ
表２㊀某轿车的整车参数
参数满载时后轴
质量ｍ/ｋｇ
质心高度
Ｈ/ｍｍ
后轴轮距/
ｍｍ轮胎滚动半
径Ｒｓ/ｍｍ
值６８６６００１４５７２８２.８㊀㊀经计算ꎬ其后轴头的轴套所承受的径向载荷为３６７５.５７Ｎꎬ车身作用于路面的集中质量由于路面粗糙不平会产生垂直方向上的加速度ꎬ每个轴套的最大动态载荷估计能达到其静载荷值的两倍ꎮ采用ＲｅｃｕｒＤｙｎ软件进行车辆动态仿真ꎬ获得后轴头轴套的动态载荷变动范围为１４７~７３５１Ｎꎮ得到的垂直方向的疲劳强度试验的动态载荷特性曲线如图４所示ꎮ
图４㊀疲劳分析试验的动态载荷特性曲线
㊀㊀模型的约束主要参考文献[４]提供的约束方式ꎬ对后轴头的４个连接孔进行完全约束ꎬ对称面采用对称约束[５]ꎮ在约束了后轴头连接孔面的情况下ꎬ模型的轴套内表面安装轴承的部分受到３６７５.５７Ｎ静载荷的作用ꎮ由于轮毂偏移量通常较小ꎬ可以认为径向载荷作用于轴承安装位置的中心ꎬ静载荷与约束情况如图５所示ꎮ
图５㊀载荷与约束
２.３㊀疲劳分析结果
在Ｃｒｅｏ的Ｓｉｍｕｌａｔｅ模块中进行疲劳寿命分析前必须先进行静力分析ꎬ然后在疲劳分析界面中输入所受动态载荷的最大值ꎬ其最大值为７３５１Ｎꎮ经过疲劳分析得出如图６㊁图７所示的疲劳寿命安全因子云图和寿命置信度云图ꎮ
图６㊀安全因子云图
图７㊀寿命置信度云图
６０１
２０１８年第４７卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
㊀㊀从图６可以看出安全因子为０.２ꎬ从图７可以看出寿命置信度为１ꎬ通常寿命置信度的值小于等于１表示疲劳失效ꎮ安全因子是输入载荷的许用安全系数ꎬ当计算出的疲劳寿命比设计寿命长时ꎬ安全因子的值大于１ꎮ经计算得出轴套的疲劳寿命为１ˑ１０５次ꎬ根据灰铸铁材料的疲劳寿命Ｓ－Ｎ曲线可知灰铸铁的疲劳破坏循环次数为３ˑ１０５次ꎬ其对应的疲劳应力大于灰铸铁材料的疲劳极限应力σ－１ꎬ容易造成疲劳破坏ꎬ所以该后轴头轴套的疲劳寿命是有限的ꎮ通过观察图７可以发现ꎬ在后轴头轴套的根部出现了疲劳应力大于疲劳极限应力的区域ꎬ在此区域容易发生疲劳破坏ꎬ分析结果与图８所示的后轴头实际断裂位置一致ꎬ由此可知疲劳分析的结果是可信的ꎮ
图８㊀后轴头的轴套断裂图
３㊀后轴头不同结构参数下的疲劳寿命为了研究不同结构参数对后轴头轴套疲劳寿命的影响ꎬ文中选取后轴头轴套的外径和加强筋的高度两个参数作为变量进行有限元分析和疲劳寿命计算ꎮ
３.１㊀后轴头轴套的外径对疲劳寿命的影响现对不同的后轴头轴套外径进行有限元分析及疲劳寿命计算ꎬ结果见表３ꎮ
表３㊀不同轴套外径及其疲劳寿命
后轴头轴套外径Ｄ/ｍｍ疲劳寿命Ｎ/次
６９２.００Ｅ＋０５
７３３.９６Ｅ＋０５
７７１.００Ｅ＋０６
８１１.５０Ｅ＋０６
㊀㊀通过样条曲线拟合方法把表３中得到的疲劳寿命绘制成拟合曲线ꎬ如图９所示ꎮ由图９可知ꎬ随着后轴头轴套的外径不断增大ꎬ后轴头轴套的疲劳寿命也在增大ꎬ当外径尺寸增大到７７ｍｍ时ꎬ此时的疲劳寿命为该灰铸铁材料的无限疲劳寿命的临界点ꎬ即使外径尺寸再增大也不会产生疲劳破坏ꎮ
图９㊀轴套外径与疲劳寿命关系
３.２㊀加强筋的高度对疲劳寿命的影响
现对不同加强筋的高度进行有限元分析和疲劳寿命计算ꎬ结果见表４ꎮ
表４㊀加强筋的高度及其疲劳寿命
加强筋的高度Ｈ/ｍｍ疲劳寿命Ｎ/次
４.５２.００Ｅ＋０５
６.５２.２７Ｅ＋０５
８.５２.３６Ｅ＋０５
１０.５２.８９Ｅ＋０５
１２.５５.００Ｅ＋０５
１４.５７.５０Ｅ＋０５
１６.５８.７５Ｅ＋０５
㊀㊀用样条曲线描点的方法把表４中的数据绘制成拟合曲线ꎬ如图１０所示ꎮ从图１０可以看出ꎬ随着加强筋高度增加ꎬ疲劳寿命逐渐增加ꎬ开始增加得比较缓慢ꎬ当高度超过１０.５ｍｍ后ꎬ疲劳寿命增加的速率变快ꎬ当高度达到１６.５ｍｍ时ꎬ疲劳寿命已经接近无限疲劳寿命的临界点ꎮ
图１０㊀加强筋高度与疲劳寿命关系
３.３㊀结构改进结果
制动鼓的结构限制加强筋的高度不应超过１２ｍｍꎬ轴套的外径不应超过８０ｍｍꎮ结合后轴头
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２０１８年第１１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀李强:基于ＣｒｅｏＳｉｍｕｌａｔｅ的后轴头疲劳寿命分析及结构改进研究
轴套的直径与加强筋的高度对轴套疲劳寿命的影响规律ꎬ同时要求后轴头的质量最小ꎬ进行有限元分析和疲劳寿命计算ꎮ经过结构改进ꎬ计算后得出轴套的外径为７６.８ｍｍꎬ加强筋的高度为４.９ｍｍꎮ结构改进后其安全因子云图如图１１所示ꎬ寿命置信度云图如图１２所示ꎮ通过与未改进前的安全因子云图(图６)和寿命置信度云图(图７)比较可知ꎬ
图１１㊀结构改进后的安全因子云图
图１２㊀结构改进后的寿命置信度云图结构改进后轴套的疲劳寿命满足设计要求ꎮ
４㊀结束语
本文通过改变轴套外径和加强筋高度这两个参数ꎬ对轴套的疲劳寿命进行分析ꎬ可知加大轴套外径能够大幅度提高轴套的疲劳寿命ꎬ而增加加强筋的高度在受限的尺寸范围内对轴套的疲劳寿命提高得并不明显ꎮ用该优化方案改进轴套的结构ꎬ能够有效延长轴套的使用寿命ꎬ提高产品的安全性和市场竞争力ꎮ
参考文献:
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[３]㊀黎桂华ꎬ黄平ꎬ赵联春ꎬ等.轿车轮毂轴承外部载荷计算方法及其特性[Ｊ].润滑与密封ꎬ２００６(１１):１７－２０. [４]㊀ＳＡＫＡＭＯＴＯＪｕｎｓｈｉ.Ｔｒｅｎｄｓａｎｄｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｈｕｂｕｎｉｔｂｅａｒｉｎｇｓ[Ｊ].Ｍｏｔｉｏｎ＆Ｃｏｎｔｒｏｌꎬ２００５(１７):２－９. [５]㊀李永庆ꎬ颜波.有限元分析在汽车轮毂轴承单元中的应用[Ｊ].农业装备与车辆工程ꎬ２００８(８):２９－３０.
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｒｅａｒａｘｌｅｈｅａｄｂａｓｅｄｏｎＣｒｅｏＳｉｍｕｌａｔｅ
ＬｉＱｉａｎｇ
(ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ
ＹａｎｔａｉＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅꎬＳｈａｎｄｏｎｇＹａｎｔａｉꎬ２６５５００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｅａｒａｘｌｅｂｕｓｈｉｎｇꎬｉｔｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｘｌｅｈｅａｄꎬａｎｄｂｕｉｌｄｓｔｈｅｒｅａｒａｘｌｅｈｅａｄｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎＣｒｅｏꎬｄｅｆｉｎｅｓｔｈｅｍｏｄｅｌｍａｔｅｒｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎꎬｓｙｍｍｅｔｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔａｎｄｍｅｓｈｄｉｖｉｓｉｏｎｉｎＣｒｅｏＳｉｍｕｌａｔｅ.ＩｔｏｂｔａｉｎｓｔｈｅｓｔａｔｉｃｌｏａｄｏｆｔｈｅｓｈａｆｔｈｅａｄｉｎＲｅｃｕｒＤｙｎｓｏｆｔｗａｒｅꎬａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｒｅａｒａｘｌｅｈｅａｄꎬｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｃｌｏｕｄｍａｐａｎｄｔｈｅｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅꎬａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｒｅａｒａｘｌｅｂｕｓｈｉｎｇꎬｓｈｏｗｓｔｈｅｒｅａ￣ｓｏｎａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.
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