CN113239455A - 一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，包括建立有限元模型，定义各零件之间的连接关系，计算球头螺栓装配预紧力，定义各零件非线性材料属性，定义边界条件，在球头点沿整车坐标系加载x向载荷，导入商业有限元分析软件进行计算，输出加载点载荷‑位移曲线，确定双横臂式前转向节球头连接结构x向承载能力，在球头点沿整车坐标系加载y向载荷，确定双横臂式前转向节球头连接结构y向承载能力。本发明在产品开发阶段可以快速校核转向节球头连接结构的承载能力是否达到设计要求；在试验验证阶段，可逐渐替代转向节球头连接结构承载能力物理台架试验，大幅缩短研发周期，节约研发成本；计算精度高，计算速度快和适用性强。
Description
技术领域
本发明属于汽车悬架技术领域，具体涉及一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法。
背景技术
双横臂式前悬架结构具有横向刚度大、抗倾性能优异、抓地性能好等优点，被广泛应用于车身宽大的豪华轿车、全尺寸SUV、皮卡甚至超级跑车上。双横臂式前转向节是汽车底盘前悬系统中重要零件之一，转向节作为一种支撑和连接结构，负责传递并承受汽车车轮载荷。转向节与位于控制臂和转向拉杆顶端的球头销相连，保证零部件之间可发生相对运动，以实现车轮的上下跳动和转向。转向节在工作过程中，转向节球头连接结构要承受较大的、多变的冲击载荷作用，为了保证车辆的操控性和安全性，转向节球头连接结构设计时需要足够的承载能力。
转向节球头连接结构承载能力是用来校核结构抵抗变形和抵抗破坏的能力，按照设计要求可分为两类：一是屈服点承载能力，即结构处于弹性区未发生塑性变形的极限载荷。规定转向节球头连接结构要满足屈服点承载能力要求，主要目的是保证转向节连接结构在一定载荷作用下不发生塑性变形，因为一旦发生塑性变形不容易察觉，会影响转向节的使用寿命，给车辆行驶安全带来隐患。二是破坏点承载能力，即结构未发生破坏的极限载荷。规定转向节球头连接结构要满足破坏点承载能力要求，主要目的是保证转向节连接结构在一定载荷作用下不发生破坏，因为一旦转向节球头连接结构发生断裂，会导致车辆失控，严重威胁生命财产安全。
现有技术公开了一种双横臂式悬挂系统用转向节结构，包括采用一体成型结构的铝制转向节主体，转向节主体为中空的阶梯轴且其整体呈勺型结构，所述转向节主体上分别具有轮毂轴承安装部、转向拉杆连接部、上控制臂连接部、下控制臂连接部以及制动钳安装部。现有技术还公开了一种应用于麦弗逊式悬架的铝合金转向节，包括转向节本体及转向拉杆连接用钢衬套。转向节本体采用铸铝工艺；转向拉杆球头与转向节总成通过锥面配合，连接点压入钢套以保证转向节本体不被压溃；转向节本体上端通过通孔配合螺栓、螺母卡接滑柱总成；转向节本体侧边有两个突出的制动卡钳连接支架，通过支架上通孔配合螺栓与制动卡钳连接；转向节下部与控制臂球头通过转向节上的横向内螺纹实现卡接。现有技术还公开了转向节与下摆臂连接结构、连接套件、汽车悬架及汽车，包括转向节球头座、下摆臂球销杆和下摆臂球头座，转向节球头座用于可拆卸地安装于转向节本体上，下摆臂球头座用于安装于下摆臂本体上；下摆臂球销杆可拆卸地连接于转向节球头座，下摆臂球销杆的上端连接于下摆臂球头座；转向节球头座上设有贯通的变径孔，变径孔包括第一圆柱段以及自第一圆柱段的下端向下延伸且直径逐渐减小的第一锥段；下摆臂球销杆包括变径轴，变径轴包括第二圆柱段以及自第二圆柱段的下端向下延伸且直径逐渐减小的第二锥段；变径轴插入变径孔。
但是，上述现有技术均并未提及如何确定转向节连接结构承载能力的大小。传统的转向节球头连接结构承载能力是通过台架试验测试方法获得，受试验设备、试验场地和试验人员多方面限制，试验周期较长且结果离散度较大。双横臂式前转向节球头连接结构包括转向节和与之相连的控制臂球头、转向拉杆球头以及衬套结构。在产品开发阶段，转向节球头连接结构承载能力是否达到设计要求，是结构设计过程中重要一环。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，以解决快速校核转向节球头连接结构的承载能力是否达到设计要求的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，包括以下步骤：
A、建立转向节1、球头螺栓2、衬套3和螺母4的有限元模型；
B、定义各零件之间的连接关系；
C、计算球头螺栓2装配预紧力；
D、定义各零件非线性材料属性；
E、定义边界条件；
F、在球头点7沿整车坐标系加载x向载荷；
G、导入商业有限元分析软件进行计算；
H、输出加载点载荷-位移曲线；
I、确定双横臂式前转向节球头连接结构x向承载能力；
J、重复步骤F至步骤I，在球头点7沿整车坐标系加载y向载荷；确定双横臂式前转向节球头连接结构y向承载能力。
进一步地，步骤A，所述转向节1建模采用二阶四面体单元；衬套3、球头螺栓2网格是通过二维网格模型旋转得出，建模采用六面体单元，保证接触面良好的接触效果；螺母4采用六面体单元。
进一步地，步骤B，建立球头点7与球面分布耦合约束关系；分析球头螺栓2预紧力；建立衬套3与转向节1过盈配合关系；建立球头螺栓2与衬套3滑动接触关系，接触面主面为衬套3，从面为转向节1；建立螺母4与转向节1滑动接触关系，接触面主面为螺母4，从面为转向节1；建立球头螺栓2与螺母4绑定约束关系。
进一步地，步骤C，考虑球头螺栓2基本参数、螺纹摩擦系数、螺栓屈服强度利用率参数，根据计算公式(1)计算球头螺栓2装配预紧力；
式中：F为螺栓预紧力，A0为螺栓最小截面积，d0为螺栓最小截面的直径，d2为螺纹中径；RP0.2min为螺栓屈服强度，ν为螺栓屈服强度利用率，μGmin为螺纹最小摩擦系数，P为螺距。
进一步地，步骤D，定义各零件非线性材料属性，按公式(2)、(3)定义各零件非线性材料属性，即材料真实应力和真实塑性应变曲线；
Rt＝K(et)n (2)
et＝ep+es (3)
式中：Rt为真实应力，单位为兆帕(MPa)，K为硬化系数，是真实应变等于1时的真实应力，n为应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，et为真实应变，ep为真实塑性应变；es为屈服应变，即屈服强度点对应的塑性应变。
进一步地，步骤E，需将四个转向节连接点6与轮心点5建立运动耦合约束，同时约束轮心点5在1-6方向自由度。
进一步地，步骤F，加载载荷包括，施加衬套3与转向节1过盈量，施加如球头螺栓2装配预紧力，随后在转向节球头连接结构沿x方向以1KN为增量逐级施加至120KN载荷。
进一步地，步骤G，将有限元模型导入商业有限元分析软件，采用隐式求解的方法，同时考虑几何非线性和材料非线性进行分析。
进一步地，步骤H，输出球头点7载荷(N)-位移(mm)曲线，该曲线以球头点7沿x方向加载时刻为原点。
进一步地，步骤I，规定双横臂式前转向节球头连接结构x向承载能力屈服点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率50％时的载荷；承载能力破坏点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率10％时的载荷。
进一步地，步骤J，规定双横臂式前转向节球头连接结构y向承载能力屈服点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率50％时的载荷；承载能力破坏点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率10％时的载荷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过有限元分析的手段，建立了转向节、球头、衬套有限元模型，考虑转向节与衬套的过盈配合关系、考虑各接触面的接触关系以及衬套与球头锥面配合预紧轴力；计算过程中，考虑几何非线性和材料非线性，通过转向节球头连接结构在外载作用下载荷-位移曲线斜率的变化，来确定双横臂式前转向节球头连接结构的承载能力；本发明具有计算精度高，计算速度快和适用性强的优点；在产品开发阶段可以快速校核转向节球头连接结构的承载能力是否达到设计要求；在试验验证阶段，可逐渐替代转向节球头连接结构承载能力物理台架试验，大幅缩短研发周期，节约研发成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1本发明确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法的流程图；
图2a-图2b转向节球头连接结构承载能力计算模型图；
图3转向节球头连接结构承载能力计算连接关系模型图；
图4转向节球头连接结构承载能力边界条件和载荷加载；
图5转向节球头连接结构承载能力曲线。
图中，1.转向节 2.球头螺栓 3.衬套 4.螺母 5.轮心点 6.转向节连接点 7.球头点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，包括以下步骤：
第一步，建立有限元模型；
第二步，定义各零件之间的连接关系；
第三步，计算球头螺栓装配预紧力；
第四步，定义各零件非线性材料属性；
第五步，定义边界条件；
第六步，在球头点7沿整车坐标系加载x向载荷；
第七步，导入商业有限元分析软件进行计算；
第八步，输出加载点载荷-位移曲线；
第九步，确定双横臂式前转向节球头连接结构x向承载能力；
第十步，重复第六步至第九步，在球头点7沿整车坐标系加载y向载荷；确定双横臂式前转向节球头连接结构y向承载能力。
所述第一步，具体为建立转向节1、球头螺栓2、衬套3和螺母4的有限元模型，其中转向节1建模网格尺寸为1-2mm，采用二阶四面体单元；衬套3、球头螺栓2网格是通过二维网格模型旋转得出，建模采用六面体单元，保证接触面良好的接触效果；螺母4采用六面体单元。
所述第二步中，建立球头点7与球面建立分布耦合约束关系；建立球头螺栓2预紧力；建立衬套3与转向节1过盈配合关系；建立球头螺栓2与衬套3滑动接触关系；建立球头螺栓2与螺母4绑定约束关系；建立螺母4与转向节1滑动接触关系。
所述第三步中，考虑球头螺栓2基本参数、螺纹摩擦系数、螺栓屈服强度利用率参数，根据计算公式(1)计算球头螺栓2装配预紧力；
式中：
F——螺栓预紧力；
A0——为螺栓最小截面积(mm2)；
d0——螺栓最小截面的直径(mm)；
d2——为螺纹中径(mm)；
RP0.2min——螺栓屈服强度，单位为兆帕(MPa)；
ν——螺栓屈服强度利用率；
μGmin——螺纹最小摩擦系数；
P——螺距。
所述第四步中，按公式(2)、(3)定义各零件非线性材料属性，即材料真实应力和真实塑性应变曲线；
Rt＝K(et)n (2)
et＝ep+es (3)
式中：
Rt——真实应力，单位为兆帕(MPa)；
K——硬化系数，是真实应变等于1时的真实应力；
n——应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力；
et——真实应变；
ep——真实塑性应变；es——屈服应变，即屈服强度点对应的塑性应变。
所述第五步中，需将四个转向节连接点6与轮心点5建立运动耦合约束，同时约束轮心点5在1-6方向自由度。
所述第六步中，加载载荷包括，施加衬套3与转向节1过盈量，施加球头螺栓2装配预紧力，随后在转向节球头连接结构沿x方向以1KN为增量逐级施加至120KN载荷(120KN应超过预估连接结构极限承载能力的20％)。
所述第七步中，将有限元模型导入商业有限元分析软件，采用隐式求解的方法，同时考虑几何非线性和材料非线性进行分析。
所述第八步中，输出球头点7载荷(N)-位移(mm)曲线，该曲线以球头点7沿x方向加载时刻为原点。
所述第九步中，规定双横臂式前转向节球头连接结构x向承载能力屈服点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率50％时的载荷；承载能力破坏点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率10％时的载荷。
所述第十步中，规定双横臂式前转向节球头连接结构y向承载能力屈服点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率50％时的载荷；承载能力破坏点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率10％时的载荷。
实施例
第一步，转向节球头连接结构承载能力计算需建立包括转向节1、球头螺栓1、衬套2和螺母4的有限元模型，保证各零件模型位置与实际装配位置一致，零部件间不存在结构干涉。其中，转向节1建模网格尺寸为1-2mm，采用二阶四面体单元；衬套3、球头螺栓2网格尺寸为1-2mm，采用六面体单元，衬套3、球头建模是通过二维模型旋转得出，可保证接触面有良好的接触效果；螺母4网格尺寸为2-3mm，采用六面体单元。
第二步，在步骤一的有限元模型基础上，定义如下连接关系，如图3所示：a为建立球头点7与球面分布耦合约束关系，b为考虑球头螺栓2预紧力，c为建立衬套3与转向节1过盈配合关系，接触面主面为衬套3，从面为转向节1；d为建立球头螺栓2与衬套3滑动接触关系，接触面主面为球头螺栓2，从面为衬套3；建立螺母4与转向节1滑动接触关系，接触面主面为螺母4，从面为转向节1；e为建立球头螺栓2和螺母4绑定约束关系。
第三步，在步骤二基础上，球头螺栓2预紧力计算需要考虑螺栓屈服强度利用率、螺栓基本参数、螺纹最小摩擦系数等，根据如下公式计算球头螺栓装配预紧力。
式中：
F——螺栓预紧力；
A0——为螺栓最小截面积(mm2)；
d0——螺栓最小截面的直径(mm)；
d2——为螺纹中径(mm)；
RP0.2min——螺栓屈服强度，单位为兆帕(MPa)；
ν——螺栓屈服强度利用率；
μGmin——螺纹最小摩擦系数；
P——螺距。
双横臂式前转向节球头连接结构装配时拧紧要求精度高，螺栓强屈服强度利用率应控制在85％以内。
第四步，在步骤三基础上，定义各零件的非线性材料属性。双横臂式前转向节球头连接结构承载能力计算需要考虑各零件材料的非线性属性，即材料的真实应力和真实塑性应变的曲线。材料的非线性材料属性按公式(2)、(3)表示：
Rt＝K(et)n (2)
et＝ep+es (3)
式中：
Rt——真实应力，单位为兆帕(MPa)；
K——硬化系数，是真实应变等于1时的真实应力；
n——应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力；
et——真实应变；
ep——真实塑性应变；
es——屈服应变，即屈服强度点对应的塑性应变；
在已知硬化指数K和应变硬化指数n值的前提下，将屈服强度Rs代入公式(2)、(3)，可得公式(4)。
Rs＝K(ep+es)n (4)
此时，令ep＝0(有连续屈服材料)或ep＝0.2％(不连续屈服材料)，可得屈服应变es值。
任取一组连续的真实塑性应变ep代入公式(3)、(4)即可得到真实应力Rt和真实塑性应变ep的曲线。
第五步，在步骤四基础上，定义边界条件。将轮心点5与四个转向节连接点6建立运动耦合约束，同时约束轮心点5在1-6方向自由度。
第六步，在步骤五基础上，施加如第二步所述的衬套3与转向节1过盈量，施加如第三步所述球头螺栓2装配预紧力，随后在球头点7沿整车坐标系x方向以1KN为增量逐级施加至120KN载荷。
第七步，在步骤六基础上，将有限元模型导入商业有限元分析软件，采用隐式求解的方法，同时考虑几何非线性和材料非线性进行分析计算。
第八步，在步骤七基础上，输出球头点7载荷(N)-位移(mm)曲线。
第九步，在步骤八基础上，载荷由球头点7传递到衬套和转向节上，随着载荷逐渐增大，球头螺栓2、衬套2和转向节1发生塑性变形，转向节球头连接结构抵抗变形能力逐渐降低，球头点7载荷-位移曲线斜率呈下降趋势。规定承载能力屈服点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率50％时的载荷；承载能力破坏点载荷是球头点7载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率10％时的载荷，最终可确定转向节连接结构x向屈服点和破坏点承载能力。
第十步，重复上述第六步至第九步，分别在球头点7沿整车坐标系y方向以1KN为增量逐级施加至120KN载荷。可确定转向节连接结构y向屈服点承载能力和破坏点承载能力。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、建立转向节(1)、球头螺栓(2)、衬套(3)和螺母(4)的有限元模型；
B、定义各零件之间的连接关系；
C、计算球头螺栓(2)装配预紧力；
D、定义各零件非线性材料属性；
E、定义边界条件；
F、在球头点(7)沿整车坐标系加载x向载荷；
G、导入商业有限元分析软件进行计算；
H、输出加载点载荷-位移曲线；
I、确定双横臂式前转向节球头连接结构x向承载能力；
J、重复步骤F至步骤I，在球头点(7)沿整车坐标系加载y向载荷；确定双横臂式前转向节球头连接结构y向承载能力。
2.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤A，所述转向节(1)建模采用二阶四面体单元；衬套(3)、球头螺栓(2)网格是通过二维网格模型旋转得出，建模采用六面体单元，保证接触面良好的接触效果；螺母(4)采用六面体单元。
3.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤B，包括建立球头点(7)与球面分布耦合约束关系；分析球头螺栓(2)预紧力；建立衬套(3)与转向节(1)过盈配合关系；建立球头螺栓(2)与衬套(3)滑动接触关系，接触面主面为衬套(3)，从面为转向节(1)；建立螺母(4)与转向节(1)滑动接触关系，接触面主面为螺母(4)，从面为转向节(1)；建立球头螺栓(2)与螺母(4)绑定约束关系。
4.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤C，考虑球头螺栓(2)基本参数、螺纹摩擦系数、螺栓屈服强度利用率参数，根据计算公式(1)计算球头螺栓(2)装配预紧力；
式中：F为螺栓预紧力，A0为螺栓最小截面积，d0为螺栓最小截面的直径，d2为螺纹中径；RP0.2min为螺栓屈服强度，ν为螺栓屈服强度利用率，μGmin为螺纹最小摩擦系数，P为螺距。
5.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤D，定义各零件非线性材料属性，按公式(2)、(3)定义各零件非线性材料属性，即材料真实应力和真实塑性应变曲线；
Rt＝K(et)n (2)
et＝ep+es (3)
式中：Rt为真实应力，单位为兆帕(MPa)，K为硬化系数，是真实应变等于1时的真实应力，n为应变硬化指数，反映金属材料抵抗均匀塑性变形的能力，et为真实应变，ep为真实塑性应变；es为屈服应变，即屈服强度点对应的塑性应变。
6.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤E，将四个转向节连接点(6)与轮心点(5)建立运动耦合约束，同时约束轮心点(5)在1-6方向自由度。
7.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤F，加载载荷包括，施加衬套(3)与转向节(1)过盈量，施加如球头螺栓(2)装配预紧力，随后在转向节球头连接结构沿x方向以1KN为增量逐级施加至120KN载荷。
8.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤G，将有限元模型导入商业有限元分析软件，采用隐式求解的方法，同时考虑几何非线性和材料非线性进行分析。
9.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤H，输出球头点(7)载荷-位移曲线，该曲线以球头点(7)沿x方向加载时刻为原点。
10.根据权利要求1所述的一种确定双横臂式前转向节球头连接结构承载能力的方法，其特征在于：步骤I，规定双横臂式前转向节球头连接结构x向承载能力屈服点载荷是球头点(7)载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率50％时的载荷；承载能力破坏点载荷是球头点(7)载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率10％时的载荷；
步骤J，规定双横臂式前转向节球头连接结构y向承载能力屈服点载荷是球头点(7)载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率50％时的载荷；承载能力破坏点载荷是球头点(7)载荷-位移曲线斜率降至初始阶段斜率10％时的载荷。
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