轉(zhuǎn)向節(jié)的案例
基于ANSYS的汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化仿真分析
摘 要：本研究基于ANSYS軟件，針對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化展開(kāi)了仿真分析。首先，針對(duì)不同的工藝約束，建立了多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)比較不同拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的區(qū)別和優(yōu)劣勢(shì)，選取了最優(yōu)的拓?fù)鋬?yōu)化建模方法。隨后，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，建立了工程化結(jié)構(gòu)數(shù)模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在所建立的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)下，得到了一種在工藝約束下最優(yōu)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)具有較好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：ANSYS;汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié);拓?fù)鋬?yōu)化;工藝約束;多目標(biāo)優(yōu)化;力學(xué)性能;
1 引言
汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響著汽車(chē)的操控性和安全性。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)通常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試錯(cuò)方法，存在設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、效率低等問(wèn)題，同時(shí)難以滿足不同工況下的需求。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，基于拓?fù)鋬?yōu)化的汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。在不同的工藝約束下，通過(guò)建立多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以快速高效地得到優(yōu)化結(jié)果，有效提高轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和質(zhì)量。此外，拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)還可以大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，提高設(shè)計(jì)效率和可靠性，同時(shí)降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
2 汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化
2.1 汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)和功能
汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中非常重要的部件之一，主要起到連接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪轂的作用。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向操作傳遞到車(chē)輪，控制車(chē)輛的方向和行駛狀態(tài)。傳統(tǒng)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)通常采用鑄造或鍛造的方式制造，形狀比較固定，存在一些設(shè)計(jì)上的局限性。而拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)則可以通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的得到，進(jìn)一步提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和質(zhì)量[1]。
2.2 拓?fù)鋬?yōu)化在汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
拓?fù)鋬?yōu)化作為一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用。
展開(kāi) 輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì)
輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化設(shè)計(jì).zip
摘要 本報(bào)告使用Altair公司提供的HyperMesh軟件以及OptiStruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，對(duì)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)介紹了在汽車(chē)極限左轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的約束載荷，以及結(jié)合制造工藝中最小成員尺寸約束進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使其達(dá)到輕量化，且對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)向節(jié) 拓?fù)鋬?yōu)化 輕量化 變密度法
1汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)背景介紹
在當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)中，減輕設(shè)計(jì)重量和縮短設(shè)計(jì)周期是兩個(gè)突出的問(wèn)題。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)始占據(jù)了汽車(chē)發(fā)展的主要地位，但是簡(jiǎn)單的汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車(chē)重量的同時(shí)，也犧牲了車(chē)輛的強(qiáng)度和剛度。在此情況下，Altair公司的有限元分析技術(shù)以及優(yōu)化技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)獲得了非常成功的應(yīng)用。特別是對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車(chē)零件，HyperWorks的有限元分析技術(shù)、拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)使得很多材料的潛能及鑄造的優(yōu)勢(shì)得到了充分的發(fā)揮。
轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)的重要安全零部件。該零件在原始設(shè)計(jì)中，由于整個(gè)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，只能作定性分析和類(lèi)比估算。在確定實(shí)際結(jié)構(gòu)時(shí)，往往選擇的安全系數(shù)過(guò)大，致使設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重、粗大。另外，由于對(duì)實(shí)際的受力點(diǎn)未能完全把握，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。
2有限元模型建立及分析
轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其它零部件相連的同時(shí)，通過(guò)法蘭盤(pán)的制動(dòng)器安裝孔進(jìn)行定位。由于整車(chē)全工況有限元模型的計(jì)算量太龐大，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此僅選取在極限左轉(zhuǎn)向工況下，轉(zhuǎn)向節(jié)模型與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件和輪轂電機(jī)相連接的六個(gè)節(jié)點(diǎn)作為輸入載荷點(diǎn)，單獨(dú)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)模型進(jìn)行優(yōu)化。
展開(kāi) 案例分享：汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的通用疲勞分析
汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)作為一種關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向組件，擔(dān)負(fù)著連接轉(zhuǎn)向機(jī)與前輪的重要任務(wù)。在日常行駛過(guò)程中，轉(zhuǎn)向節(jié)會(huì)經(jīng)受著復(fù)雜的載荷和應(yīng)力，例如來(lái)自路面不平的沖擊力、轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力、制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力等。這些多元化的載荷會(huì)在轉(zhuǎn)向節(jié)上產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布，從而增加了轉(zhuǎn)向節(jié)發(fā)生疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞損傷可能導(dǎo)致其斷裂或失效，從而危及行車(chē)安全，甚至可能造成嚴(yán)重的交通事故。因此，了解轉(zhuǎn)向節(jié)在何種條件下可能出現(xiàn)疲勞損傷，并據(jù)此制定預(yù)防措施，對(duì)于汽車(chē)的可靠性和耐久性至關(guān)重要。
為了保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的可靠性和耐久性，原點(diǎn)疲勞軟件對(duì)其進(jìn)行了全面的分析和評(píng)估：通過(guò)模擬各種日常行駛場(chǎng)景，分析轉(zhuǎn)向節(jié)在不同條件下的載荷和應(yīng)力狀態(tài)；結(jié)合材料特性和應(yīng)力疲勞分析模型，估算轉(zhuǎn)向節(jié)在不同工況下的疲勞壽命。對(duì)疲勞分析中發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)區(qū)域，可以進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，以提高轉(zhuǎn)向節(jié)的性能和耐久性。
汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命云圖
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展開(kāi) 基于HyperMorph 參數(shù)化的轉(zhuǎn)向節(jié)概念設(shè)計(jì)
下面重點(diǎn)以某汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，解析參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)在工程實(shí)際中的應(yīng)用。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，能夠使汽車(chē)穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向，轉(zhuǎn)向節(jié)的功用是承受汽車(chē)前部載荷，支撐并帶動(dòng)前輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車(chē)轉(zhuǎn)向。在汽車(chē)行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強(qiáng)度。
2 基礎(chǔ)模型分析
2.1 有限元模型描述
利用 HyperMesh 建立轉(zhuǎn)向節(jié)實(shí)體有限元模型。如下圖 1 所示
圖 1 轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)區(qū)域有限元模型
2.2 基礎(chǔ)模態(tài)分析和評(píng)價(jià)
經(jīng)過(guò)多體分解得到的載荷，加載到轉(zhuǎn)向節(jié)，得到在 Z 向沖擊的工況下，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力值超過(guò) 材料屈服，疲勞損傷值大于目標(biāo)要求。存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)，因此需要優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)，使其最大應(yīng)力 值低于目標(biāo)要求，并保證使用壽命滿足設(shè)計(jì)需要。計(jì)算結(jié)果如下圖 2 所示
圖 2 轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度、疲勞結(jié)果示意圖
3 優(yōu)化分析
3.1 參數(shù)化模型的建立
考慮轉(zhuǎn)向節(jié)形狀、倒角、和厚度等參數(shù)，利用 morphing 建立參數(shù)化有限元模型。如下圖 3 所示
圖 3 轉(zhuǎn)向節(jié)優(yōu)化區(qū)域有限元模型示意圖
3.2 優(yōu)化分析和結(jié)果
參數(shù)化優(yōu)化分析流程：
對(duì)新建立的參數(shù)化有限元模型進(jìn)行優(yōu)化分析，選取最優(yōu)一組參數(shù)。如下圖 4 和圖 5所示
3.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)優(yōu)化后結(jié)果進(jìn)行工程解析，得到可行性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。如下圖 6 所示
圖 6 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
4 優(yōu)化結(jié)果和基礎(chǔ)分析結(jié)果對(duì)比
優(yōu)化后的結(jié)果最大應(yīng)力值和疲勞損傷值均滿足目標(biāo)值要求。
展開(kāi) 
MeshFree在汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)分析中的應(yīng)用
背景介紹
轉(zhuǎn)向節(jié)作為汽車(chē)底盤(pán)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，對(duì)汽車(chē)的行駛安全起到重要的作用。轉(zhuǎn)向節(jié)承受來(lái)自路面及車(chē)身的載荷，受力工況復(fù)雜。
各主機(jī)廠對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度和疲勞性能要求很高。另一方面，由于轉(zhuǎn)向節(jié)多為鑄件或鍛件，本身結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，網(wǎng)格劃分的工作量較大。所以，轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度分析對(duì)工程師的能力要求高。在轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)前期，快速評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案通常是一件緊張而艱巨的工作。
本文，利用MeshFree對(duì)某轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度分析并與傳統(tǒng)CAE結(jié)果進(jìn)行比較分析。轉(zhuǎn)向節(jié)模型如圖。
模型分析
將轉(zhuǎn)向節(jié)CAD數(shù)模導(dǎo)入MeshFree中，設(shè)置網(wǎng)格密度，效果如下圖:
詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如下圖：
結(jié)論：
1、通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析可知，兩者對(duì)變形模式和應(yīng)力分布趨勢(shì)的預(yù)測(cè)比較接近；
2、MeshFree整個(gè)分析過(guò)程簡(jiǎn)單快速，將普通CAE一天的工作量提升到1小時(shí)完成;
3、最大位移及應(yīng)力存在一定差異，可能存在求解設(shè)置差異，需要對(duì)MeshFree做進(jìn)一步的學(xué)習(xí)研究；
展開(kāi) 房車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)前臂彎曲工藝優(yōu)化與模具裝置研發(fā)及應(yīng)用
房車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)是自駕旅游用車(chē)的核心零部件，輪廊尺寸大，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。針對(duì)目前采用分體制造存在的諸多問(wèn)題，提出了整體模鍛成形的工藝方案，并對(duì)其關(guān)鍵工序彎曲成形工藝進(jìn)行了優(yōu)化與專(zhuān)用模具裝置開(kāi)發(fā)。結(jié)果表明，所提方案合理先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了以整體模鍛取代分體制造，所生產(chǎn)的房車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)滿足了美國(guó)客戶的技術(shù)要求。
房車(chē)是集交通、餐飲和住宿于一體的專(zhuān)用汽車(chē)。近年來(lái)，自駕旅游在美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展迅速，近兩年來(lái)我國(guó)人民因改革開(kāi)放生活水平大幅提高，節(jié)假日和雙休日私家車(chē)車(chē)主和親朋好友自駕游發(fā)展迅猛，對(duì)房車(chē)的需求不斷增長(zhǎng)，由此，帶動(dòng)了房車(chē)制造所需一些關(guān)鍵零部件的發(fā)展。
三環(huán)鍛造有限公司是汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)各種汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)系列產(chǎn)品1000多種，200萬(wàn)件，超過(guò)100萬(wàn)噸，除國(guó)內(nèi)東風(fēng)、一汽外，國(guó)外客戶有戴姆勒奔馳公司、荷蘭DAF公司、印度塔塔和利蘭公司、美國(guó)TRP等公司，國(guó)際業(yè)務(wù)已占公司銷(xiāo)售總額的25%以上。因產(chǎn)品質(zhì)量好，供貨準(zhǔn)時(shí)，可滿足客戶特殊要求，因此，2016年，美國(guó)某知名公司要求為其生產(chǎn)房車(chē)A223型轉(zhuǎn)向節(jié)，并主動(dòng)提供了研發(fā)費(fèi)用。
房車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
常用汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)和房車(chē)A223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件如圖1所示。A223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件二維圖如圖2所示。其鍛件的復(fù)雜系數(shù)為S=V鍛/V包=0.075≤0.16，這表示該型轉(zhuǎn)向節(jié)為最復(fù)雜的枝杈類(lèi)鍛件。它與常用載重車(chē)的轉(zhuǎn)向節(jié)的最大差別就是一個(gè)直線前臂特別長(zhǎng)，另一個(gè)稍短的前臂與桿部及直線長(zhǎng)臂的軸線方向成90°彎曲。
圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)
圖2 A223型房車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件二維圖
圖3 鐓粗、拔長(zhǎng)、預(yù)鍛模膛及預(yù)鍛件
目前，這種房車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)尚為空白，現(xiàn)有工藝是將前臂與桿部和法蘭分開(kāi)鍛造經(jīng)機(jī)加工后采用螺栓連接為一體。
展開(kāi) 某款轉(zhuǎn)向節(jié)鑄改鍛工藝分析與實(shí)現(xiàn)
效果驗(yàn)證
經(jīng)過(guò)以上措施的實(shí)施，我公司完成了對(duì)鑄改鍛轉(zhuǎn)向節(jié)的成功設(shè)計(jì)及調(diào)試，順利保證了樣件的提交。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，拉伸和沖擊性能均達(dá)標(biāo)，鍛件流線符合工藝要求（如圖6）。目前由新工藝加工出的鍛件成品，經(jīng)檢驗(yàn)后完全達(dá)標(biāo)，現(xiàn)已在整車(chē)上安裝。
圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)流線分析示意
結(jié)束語(yǔ)
此款轉(zhuǎn)向節(jié)的成功研制，實(shí)現(xiàn)了我司首次轉(zhuǎn)向節(jié)鑄改鍛的工藝改動(dòng)，填補(bǔ)了我司在大型乘用車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)開(kāi)發(fā)與研制方面的空白。此件的成功研制大力提升了我司在轉(zhuǎn)向節(jié)制造上的研發(fā)能力，同時(shí)極大增加了我司在轉(zhuǎn)向節(jié)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
—— 來(lái)源：《鍛造與沖壓》2019年第5期
展開(kāi) 基于OptiStruct的轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化
密度接近 1 的區(qū)域是必須保留的“實(shí)心”結(jié)構(gòu)，密度接近 0 的區(qū)域是可以去除的材料，中間值表示需要解釋的過(guò)渡區(qū)域，轉(zhuǎn)向節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化單元密度云圖如圖6和圖7所示：
圖6 單元密度顯示設(shè)置
圖7 轉(zhuǎn)向節(jié)單元密度顯示
最后，有相關(guān)需求歡迎通過(guò)公眾號(hào)“320科技工作室”與我們聯(lián)絡(luò)。
SimSolid實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的快速分析
工程背景
轉(zhuǎn)向節(jié)作為汽車(chē)底盤(pán)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，對(duì)汽車(chē)的行駛安全起到重要的作用。轉(zhuǎn)向節(jié)承受來(lái)自路面及車(chē)身的載荷，受力工況復(fù)雜。
各主機(jī)廠對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度和疲勞性能要求很高。另一方面，由于轉(zhuǎn)向節(jié)多為鑄件或鍛件，本身結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，網(wǎng)格劃分的工作量較大。所以，轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度分析對(duì)工程師的能力要求高。在轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)前期，快速評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案通常是一件緊張而艱巨的工作。
本文，利用SimSolid對(duì)某轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了強(qiáng)度分析并與傳統(tǒng)CAE結(jié)果進(jìn)行比較分析。轉(zhuǎn)向節(jié)模型如圖
模型工況示意圖
分析結(jié)果
試用體會(huì)：
①實(shí)用：
信息查詢：零部件的重量重心，焊縫的條數(shù)和總長(zhǎng)度等信息，右鍵快速統(tǒng)計(jì)查詢。
屬性測(cè)量：距離、板厚、坐標(biāo)位置，通過(guò)測(cè)量工具輕松搞定。
快速截圖：Bookmark browser實(shí)現(xiàn)模型姿態(tài)快速保存查看，方便對(duì)比和輸出報(bào)告。
②高效：易用速算。
模型連接：無(wú)需幾何清理和網(wǎng)格劃分，直接基于幾何結(jié)構(gòu)，自動(dòng)創(chuàng)建部件間的連接關(guān)系。
工況定義：約束條件和載荷的定義快捷方便，術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)潔明了。
求解分析：相對(duì)于CAE幾十分鐘的分析模型，分分鐘搞定；
結(jié)果精度：通過(guò)案例分析對(duì)比，完全滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期的方案對(duì)比與決策。
結(jié)論：
1、通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析可知，兩者對(duì)變形模式和應(yīng)力分布趨勢(shì)的預(yù)測(cè)比較接近；
2、MeshFree整個(gè)分析過(guò)程簡(jiǎn)單快速，將普通CAE一天的工作量提升到1小時(shí)完成。
3、通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，SimSolid提供的快速分析工具，可以幫助設(shè)計(jì)工程師對(duì)新方案進(jìn)行快速判斷，提高了設(shè)計(jì)效率。
展開(kāi) 某轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的探傷工藝制訂過(guò)程
轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的工藝流程設(shè)置為鍛造→調(diào)質(zhì)→拋丸→探傷，要求拋丸完成后，立即轉(zhuǎn)入探傷工序，充分保證了轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件表面的清潔。
磁懸液
將Fe
3O
4 熒光磁粉和水或其他有機(jī)溶劑混合攪拌后，制成磁懸液。將磁懸液噴淋在被探傷工件上，其中的熒光磁粉在磁場(chǎng)力作用下，聚集在缺陷位置。在適當(dāng)光線照射下，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的標(biāo)記。
磁懸液的濃度為0.5 ～3.0g/L，其沉淀濃度(含固體量)為0.1 ～0.4mL/100mL。應(yīng)當(dāng)注意的是，磁懸液濃度并非越高越好。當(dāng)磁懸液濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)在工件表面滯留很多磁粉，形成過(guò)度背景，掩蓋缺陷，失去檢驗(yàn)細(xì)小裂紋的能力。
懸濁液使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入，水體變質(zhì)等問(wèn)題，影響探傷效果和作業(yè)人員健康。這種情況下，懸濁液應(yīng)進(jìn)行整體更換，以保持磁懸液的清潔。
在轉(zhuǎn)向節(jié)探傷工藝制訂時(shí)，懸濁液濃度定為0.2 ～0.3mL/ 100mL；為防止懸濁液水體變質(zhì)，根據(jù)冬、夏季節(jié)的區(qū)別，要求每7 ～15 天更換一次。
在生產(chǎn)過(guò)程中，梨形瓶（圖3）用作懸濁液的檢測(cè)。將攪拌均勻的懸濁液裝入梨形瓶?jī)?nèi)，靜置15 分鐘后，查看懸濁液的沉淀量，如果沉淀量不滿足要求，對(duì)磁粉或水進(jìn)行添加。
圖3 梨形瓶
磁場(chǎng)強(qiáng)度
磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了缺陷處吸附的熒光磁粉的多寡，應(yīng)盡量使工件達(dá)到或接近飽和的磁化狀態(tài)。鍛件表面有效磁場(chǎng)的磁通密度一般需要達(dá)到飽和磁通密度的80%～ 90%。
磁場(chǎng)強(qiáng)度一般是通過(guò)熒光磁粉探傷機(jī)的磁化電流保證的。轉(zhuǎn)向節(jié)探傷時(shí)，規(guī)定周向磁化電流為1200A，縱向磁化電流為45A。并使用特斯拉計(jì)(圖4)檢測(cè)周向、縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度，要求工件表面磁場(chǎng)強(qiáng)度≥20A/cm。
展開(kāi) 汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的受力及疲勞分析仿真 ￥500
汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)是指汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要組成部分，用于轉(zhuǎn)換駕駛員的轉(zhuǎn)向輸入，并將轉(zhuǎn)向力傳遞給車(chē)輛的輪胎。它通常包括轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向連接桿和轉(zhuǎn)向齒輪機(jī)構(gòu)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞分析是為了評(píng)估和預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)的使用壽命和可靠性，以確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。通過(guò)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞分析，可以提前發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)、選擇更強(qiáng)度的材料或優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性。
本案例基于一汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)，基于COMSOL軟件中的固體力學(xué)模塊和疲勞分析模塊對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
展開(kāi) 
叉車(chē)用轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)工藝分析
本文提到的轉(zhuǎn)向節(jié)為某品牌叉車(chē)使用零件，其作用是當(dāng)叉車(chē)在水平路面行駛時(shí)，叉車(chē)輪子以水平軸為中心上下擺動(dòng)，可減小車(chē)架的扭轉(zhuǎn)力矩，使得每個(gè)叉車(chē)輪子的載荷均勻，保證叉車(chē)行駛穩(wěn)定。轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件實(shí)物見(jiàn)圖1、3D 數(shù)模圖見(jiàn)圖2、鍛件圖主要尺寸見(jiàn)圖3。
圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件
圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)3D 數(shù)模
圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件2D 圖
工藝分析
主設(shè)備選擇
產(chǎn)品鍛件重11.7kg，材質(zhì)42CrMo，材質(zhì)系數(shù)M1，形狀復(fù)雜系數(shù)S4。
依照計(jì)算公式P=K×σ×S。
其中，P——成形壓力，K——復(fù)雜系數(shù)，σ——材料強(qiáng)度極限，S——水平投影面積。
計(jì)算得到需要成形壓力為3029kN，根據(jù)公司設(shè)備狀況選擇4000t 熱模鍛壓力機(jī)作為主設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，315t 壓力機(jī)進(jìn)行切邊。
工藝難點(diǎn)分析
該產(chǎn)品屬于立鍛軸類(lèi)零件，形狀復(fù)雜系數(shù)高，成形較困難。之前開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)向節(jié)底部基本是一個(gè)臺(tái)階或臺(tái)階直徑差異較小，后續(xù)采用機(jī)加工的方式去除材料，而本產(chǎn)品臺(tái)階直徑差異較大，而且必須鍛造成形。其成形難點(diǎn)如下。
⑴尾部臺(tái)階φ26mm 的充滿性。由于預(yù)鍛型腔需要靠壓力壓入才能充滿，因此預(yù)鍛設(shè)計(jì)時(shí)桿部高度要小于終鍛高度，一般按高度設(shè)計(jì)尺寸系數(shù)0.8 ～0.9的終鍛高度取值，桿部頂部寬度預(yù)鍛與終鍛要相等。同時(shí)預(yù)鍛模具的型腔斜度需要增大，使預(yù)鍛毛坯到終鍛時(shí)與模壁有一定的間隙，從而減小模壁對(duì)金屬流動(dòng)的阻力。由于預(yù)鍛斜度增大，使金屬不容易充滿，因此必須加大預(yù)鍛的R 角，但需要確保產(chǎn)品能充滿的同時(shí)在終鍛不會(huì)產(chǎn)生折疊。
展開(kāi) 福特開(kāi)發(fā)出碳纖維后懸架轉(zhuǎn)向節(jié)
從書(shū)中了解的初步信息表明，復(fù)合材料輕量化轉(zhuǎn)向節(jié)的構(gòu)思，可由單一一種材料即片狀模塑料（SMC）實(shí)現(xiàn)。然而，長(zhǎng)期的工程時(shí)間表最終導(dǎo)致設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向采用多種材料系統(tǒng)：預(yù)浸料層賦予了其所在之處所需的平面力學(xué)性能，SMC 的包覆成型則允許實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何細(xì)節(jié)和面外剛度。這種單軸和雙軸預(yù)浸料結(jié)合SMC的方法，意味著這種復(fù)合材料部件能夠達(dá)到力學(xué)強(qiáng)度、剛度和屈曲目標(biāo)。其他的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)表明，在不影響制造而保持此設(shè)計(jì)概要的同時(shí)，必須引入更多的創(chuàng)新。在做了廣泛的仿真和試驗(yàn)工作后，設(shè)計(jì)即被完成。這使設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化和細(xì)化，滿足了OEM的耐久性和NVH目標(biāo)。
該項(xiàng)目最終實(shí)現(xiàn)的減重效果是，在具有同等功能的情況下，最低減重達(dá)30%，最高減重達(dá)50%。
創(chuàng)新制造技術(shù)
一種能夠大批量生產(chǎn)這種高強(qiáng)度、復(fù)雜形狀的懸架轉(zhuǎn)向節(jié)的模壓成型工藝已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，2017年第二季度，已對(duì)一個(gè)示范部件進(jìn)行生產(chǎn)和力學(xué)測(cè)試。
復(fù)合材料部件的生產(chǎn)步驟
材料由三菱人造絲公司提供。在開(kāi)始制造這種復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向節(jié)系桿之前，在福特位于美國(guó)迪爾伯恩的研發(fā)創(chuàng)新中心對(duì)用于CLASS的候選碳纖維材料進(jìn)行成型，這為優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得最大的力學(xué)性能和形狀精度提供了幫助。
經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
通過(guò)GRM Consulting 及所有參與公司的共同努力，該項(xiàng)目達(dá)到了結(jié)構(gòu)和減重目標(biāo)。在此過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，幫助工程師們理解了如何采用多種材料設(shè)計(jì)達(dá)到最佳平衡。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，采用VR&D Genesis的優(yōu)化方法得到了提升，材料選擇方法得到了改進(jìn)，從而為設(shè)計(jì)和制造工程師滿足嚴(yán)格的要求提供了支持。
福特令項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)接受了“交付高度復(fù)雜的重載部件”的挑戰(zhàn)，預(yù)示著如果可行，那么交付其他許多汽車(chē)部件就相對(duì)簡(jiǎn)單。跡象表明，這已為整輛汽車(chē)帶來(lái)了顯著的減重機(jī)遇。
展開(kāi) 【汽車(chē)車(chē)橋知識(shí)】
它與單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)橋、轉(zhuǎn)向橋相比，其不同之處是，由于轉(zhuǎn)向所需要半軸被分為兩段，分別叫內(nèi)半軸(與差速器相連接)和外半軸(與輪轂連接)，二者用等角速萬(wàn)向節(jié)連接起來(lái)。同時(shí)，主橋也因此分成上下兩段，分別固定在萬(wàn)向節(jié)的球形支座上。轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸做成空心，以便外半軸從中穿過(guò)。轉(zhuǎn)向節(jié)的連接叉是球狀轉(zhuǎn)向節(jié)殼體，既滿足了轉(zhuǎn)向的需要，又適應(yīng)了轉(zhuǎn)向節(jié)的傳力。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋廣泛地應(yīng)用到全輪驅(qū)動(dòng)的越野汽車(chē)上
3. 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的工作過(guò)程驅(qū)動(dòng):橋的中部裝有主減速器和差速器。內(nèi)半軸和外半軸通過(guò)等角速萬(wàn)向節(jié)連接在一起，外半軸的端部制有花健，它和半軸凸緣相嚙合。當(dāng)前橋驅(qū)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩由主減速器、差速器傳給內(nèi)半軸、萬(wàn)向節(jié)、外半軸和半軸凸緣，最后傳遞到輪轂，驅(qū)使車(chē)輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向:轉(zhuǎn)向節(jié)由轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸和轉(zhuǎn)向節(jié)外殼用螺栓連接成整體。轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸上裝有兩個(gè)輪轂軸承，以支承輪轂;轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸內(nèi)孔壁內(nèi)壓裝有襯套，以支承外半軸。在轉(zhuǎn)向節(jié)外殼的上下兩端分別裝有上下兩段主銷(xiāo)的加粗部分，并用止動(dòng)銷(xiāo)止動(dòng)，在轉(zhuǎn)向節(jié)外殼上端裝有轉(zhuǎn)向節(jié)臂，在轉(zhuǎn)向節(jié)外殼下端裝有下蓋。潤(rùn)滑脂由上、下油嘴注入后，分別進(jìn)入主銷(xiāo)中心油道，再?gòu)膬蓚€(gè)側(cè)孔出來(lái)進(jìn)入主銷(xiāo)與襯套之間，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑。汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿拉動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)繞主銷(xiāo)擺動(dòng)，這時(shí)轉(zhuǎn)向輪即可隨之偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向。
支持橋
支持橋?qū)儆趶膭?dòng)橋。單橋驅(qū)動(dòng)的三軸汽車(chē)，后橋設(shè)計(jì)成支持橋掛車(chē)上的車(chē)橋也是支持橋發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)動(dòng)轎車(chē)的后橋也屬于支持橋。
維護(hù)和保養(yǎng)
車(chē)橋的日常維護(hù)和保養(yǎng)
(1)車(chē)輛運(yùn)行前檢查車(chē)橋外部連接螺栓是否松動(dòng)，車(chē)橋是否漏油，輪轂，減速器總成是否異響等。
(2)車(chē)橋強(qiáng)制保養(yǎng):
A:強(qiáng)制保養(yǎng)視使用工況的不同在車(chē)輛行駛3000-5000km之間進(jìn)行。
B:首次保養(yǎng)內(nèi)容包括:更換潤(rùn)滑油，齒輪油，檢查前軸前束，調(diào)整制動(dòng)間隙等，檢查各緊固件等。
展開(kāi) 福特汽車(chē)公司使用 Abaqus for 3DS CATIA 和 Isight加快錐形鉸接可制造性的設(shè)計(jì)速度
在物理裝配過(guò)程中，鍛鋼內(nèi)錐與鋁材轉(zhuǎn)向節(jié)座相連接。由于各個(gè)部件的制造工藝不同，內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)嚙合面的錐形設(shè)計(jì)的角公差也不同。
“由于角公差可能存在不對(duì)等，兩個(gè)表面嚙合，并完全施以扭動(dòng)力時(shí)，接觸面積可能出現(xiàn)變化。”Savanur 說(shuō)。嚙合材料可能出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸面積和壓力分布在接頭組裝過(guò)程中出現(xiàn)變化。當(dāng)施加工作負(fù)載后，接觸面積和接觸壓力可能進(jìn)一步發(fā)生變化。
“因此，在分析時(shí)，要對(duì)接頭組裝和接頭工作負(fù)載的施加或移除進(jìn)行模擬，這至關(guān)重要。”他說(shuō)，我們的目標(biāo)就是針對(duì)錐體和轉(zhuǎn)向節(jié)所有的錐形不匹配情況提供穩(wěn)健的錐形鉸接設(shè)計(jì)。”
為了確保穩(wěn)健的接觸分析，以及接觸壓力分布，內(nèi)套管的網(wǎng)格被設(shè)計(jì)地與轉(zhuǎn)向節(jié)座的網(wǎng)格相匹配。為了在接觸面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格匹配，在樞軸連接座上創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的‘區(qū)域’（見(jiàn)圖二藍(lán)綠色部分），以簡(jiǎn)化建網(wǎng)格過(guò)程。在Abaqus 中，使用固連接觸將該部件與轉(zhuǎn)向節(jié)的其他部分相連。
為了模擬螺栓組裝過(guò)程，先在內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)接合座間創(chuàng)建一個(gè)虛擬螺栓。然后對(duì)內(nèi)套管中部施加外部的工作負(fù)載。在 AFC 中導(dǎo)入鋁和鋼的非線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以促進(jìn)非線性分析。在AFC中創(chuàng)建接觸對(duì)和螺栓張力。通過(guò)AFC，接觸面積輸出（CAREA）和接觸力值（CFNM）可用于后期處理。最后，Abaqus分析文件被導(dǎo)出并提交至高效能計(jì)算集群，以進(jìn)行分析。
管理 DOE 流程
福特需要對(duì)不同參數(shù)組合的大量設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，這促使工程師開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化 DOE 流程。在該流程中， CAD 幾何內(nèi)容更新和 FEA（有限元分析） 模型更新在同一環(huán)中完成，因此形成全自動(dòng)的 DOE 方法。
在福特公司，外部產(chǎn)品管理系統(tǒng)和 3DS CATIA 啟動(dòng)進(jìn)行了定制。
展開(kāi) 