某前下控制臂衬套压装影响因素仿真.pdf

第32 卷第2 期2023年6 月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.2Jun.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 2-0 0 2 6-0 5D01:10.13340/j.cae.2023.02.006某前下控制臂衬套压装影响因素仿真盛云1.2，齐军1.2（1.上海汇众汽车制造有限公司，上海2 0 0 12 2；2.上海汽车底盘电子化及轻量化工程技术研究中心，上海2 0 0 12 2)摘要：为掌握衬套压装的影响因素及其规律，以某冲压成型的前下控制臂为研究对象，建立衬套压装二维有限元仿真模型，从控制臂本体、衬套及配合角度梳理可能影响衬套压入力和压出力的有关因素，通过仿真得到单因素对压入力与压出力的定量影响规律。结果表明：衬套外壁的厚度是衬套压入力的主要影响因素；当过盈量为0.3mm时，衬套外壁厚度是衬套压出力的主要影响因素；当过盈量为0.6 和0.9mm时,控制臂套管的拔模斜度是影响压出力的主要因素。关键词：衬套；压装；过盈配合；影响因素；仿真中图分类号：U463.33;TB115.1Simulation on press-fitting influencing factor offront lower control arm bushingSHENG Yun2,QI Jun.2(1.Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China;2.Shanghai Automotive Chassis Electronics and Lightweight Engineering Technology Research Center,Shanghai 200122,China)Abstract:In order to obtain the influencing factors and laws of bushing press-ftting,a two-dimensionalfinite element simulation model for bushing press-ftting is established using a certain stamping formedfront lower control arm as the research object.The relevant factors that may affect the pressing-in forceand pressing-out force of the bushing are sorted out from the perspectives of the control arm body,bushing,and their fit.The quantitative influence law of single factor on the pressing-in force andpressing-out force is obtained by simulation.The results show that:the thickness of outer ring sleeve ofthe bushing is the main influencing factor for the bushing pressing-in force;the thickness of the bushingouter ring sleeve is the main influencing factor for the pressing-out force while the interference is O.3mm;the draft angle of the control arm flange hole is the main influencing factor for the pressing-out forcewhile the interference is 0.6 mm and 0.9 mm.Key words:bushing;press-ftting;interference connection;influencing factor;simulation0引言衬套是整车悬架系统中的关键弹性元件，其刚收稿日期：2 0 2 3-0 1-10 修回日期：2 0 2 3-0 2-2 5作者简介：盛云（198 2 一），男，江苏靖江人，工程师，博士，研究方向为NVH开发与CAE仿真技术，（E-mail)http:/文献标志码：B度和阻尼特性对整车动态性能有着重要影响，设计衬套时需要综合考虑安装空间、受力状态及性能、寿命等因素 。衬套的匹配设计和性能优化一直是cae ;smucae 第2 期底盘动力学的热点，相关研究大多围绕悬架系统或整车展开，主要集中在衬套对悬架运动学的影响2-、底盘动态性能的影响4-7 、衬套疲劳8-9、橡胶硬度对衬套刚度的影响10 等方面。在衬套压装方面，主要是衬套压装机的设计开发-12 、压装方法与工艺研究13-14 、压装工装设计15-16 、自动化压装实现方法17 、压装防错技术18 以及压装质量研究19 等。衬套和套筒一般靠过盈配合连接，且要求衬套在任何工况下始终保持在套筒内，否则就不能实现传递载荷和隔绝振动的功能，并出现异响、NVH和操纵性能下降等问题。衬套始终保持在套筒内，转化到工程上,即为衬套的压出力必须满足一定的数值2 0 。在压人过程中,过盈量使衬套外壁与套筒内壁直接相互作用,产生弹塑性变形、橡胶胀形、接触面剐蹭与黏滞效应等强非线性现象，且压入力的大小直接影响套管和衬套的物理状态，进而影响压出力的大小。因此，有必要对与衬套压装过程有关的影响因素进行全面梳理和分析,掌握压人、压出力的影响规律，规避由于压出力不合格导致衬套出现异常的风险。1对象描述本文以某悬架前下控制臂的单翻边孔衬套压装为对象,开展影响因素的仿真研究。如图1所示,某前下控制臂结构为冲压成型件2 个衬套孔（以下统称为“控制臂套管”）为翻边成型。盛云，等：某前下控制臂衬套压装影响因素仿真E图2 前下控制臂衬套装配简图，mm按照图纸的公称尺寸，建立控制臂套管和衬套外壁的三维实体模型，用六面体单元对实体模型进行离散，建立的有限元模型见图3。衬套外壁和控制臂套管均为厚度均匀的圆柱对称模型,采用回转体网格进行划分：首先，将模型沿对称轴切分，然后在模型截面上进行面网格划分，为保证衬套外壁、控制臂套管径向均有4 层以上的网格分布，衬套外壁网格大小设置为0.37 5mm，套管网格大小设置为0.760mm，面网格类型为S4R;随后，面网格绕中心轴线与中心点旋转36 0，生成均布的六面体网格，网格类型为C3D8R;最后，删除面网格，并缝合实体网格的边线。三维有限元模型共有8 0 50 0 个网格、102250个节点，最小网格尺寸0.310 mm，最大网格尺寸 1.0 0 0 mm。27过程,前期研究发现衬套橡胶刚度对压装过程的影响较小,故本文不作为变量进行分析，仿真模型中不考虑衬套橡胶。几轴向位移加载x图1前下控制臂结构示意图3三维有限元模型该控制臂衬套装配简图见图2。套管孔内径根据试验情况进行仿真模型的边界条件设定。64.5mm,公差为-0.5 0.1mm,衬套外壁直径衬套外壁通过耦合单元与上表面的中心点耦合，释65.0 mm，公差为0 0.2 mm。套管材料为放其轴向自由度，约束其他几个方向的自由度。控CP800,衬套外壁材料为HR340。制臂套管下表面的中心点通过耦合单元与中心点耦2?三维与二维有限元仿真对比合，并约束其6 个自由度。仿真设置压人、压出2 个载荷步：压人过程给到衬套外壁耦合单元轴向的强2.1三维仿真模型制位移使其压装到指定位置，计算压入力；压出载荷考虑到橡胶刚度由整车厂设计并调校，且压装步时使衬套外壁回到起始位置，计算其压出力。过程主要为衬套外壁与控制臂套管的金属塑性变形采用Abaqus的隐式静力学方法对衬套压装有cae ;smucae http:/底部约束28限元模型进行求解，输出压入和压出过程中的位移、vonMises应力、等效塑性应变、支反力等信息，采用6核CPU并行计算,整个模型计算时长53min。2.2二维仿真模型考虑到本文将制定仿真DOE方案，需要实施大量的仿真计算，而三维模型的仿真计算时长过长，不仅占用大量的计算资源，而且效率极低。在理论数模状态下控制臂套管和衬套外壁均为圆周对称，因此各取一个横截面，用二维平面单元进行离散化，建立的有限元模型见图4。1轴向位移加载x底部约束图4 二维有限元模型衬套外壁网格大小设置为0.37 5mm，控制臂套管网格大小为0.7 6 mm，网格类型为CAX4R，二维模型共有32 2 个网格、4 0 9个节点。二维模型的网格大小、网格层数、边界条件、输出信息等设置与三维模型保持一致。同样采用Abaqus的隐式静力学方法对模型进行求解，计算时长仅1.2 min，效率提升4 4 倍。压入过程塑性应变与应力云图对比见图5和6,三维与二维模型计算结果对比见表1。PEEQPEEQ(Avg:75%)(Avg:75%)+4.274E-02+4.270E-02+3.562E-02+3.559E-02+2.580E-02+2.847E-02+2.137E-02+2.135E-02+1.425E-02+3.559E-03+1.423E-02+7.124E-03(a)二维模型图5衬套压入塑性应变云图对比，%S.MisesS.Mises(Avg:75%)(Avg:75%0)+4.336E-024.343E-02+3.619E-02+3.625E-02+2.902E-02+2.908E-02+2.185E-02E+2.190E-02+1.467E-02+1.473E-02+7.501E-01+7.549E-01+3.286E-00+3.723E-00(a)二维模型图6 衬套压入应力云图对比，MPa根据二维与三维模型结果的对比可知：（1)最大应力与塑性应变发生的位置基本一致；http:/计算机辅助工程表1三维与二维模型计算结果对比最大塑性最大压入对比项最大应力三维模型433.6 MPa压入二维模型434.3 MPa过程相对误差三维模型413.8 MPa压出二维模型413.4 MPa过程相对误差(2）与三维模型相比，二维模型计算得到的最大应力、塑性应变最大值、压入力和压出力的相对误差极小，最大误差不超过0.59%。(3)二维模型的计算效率较三维模型提升4 4倍，工作效率大幅提升。因此,基于衬套压装二维模型开展影响因素的定量研究。3景影响因素分析衬套压装的主要影响因素见表2。其中,控制臂套管与衬套外壁的内外径决定过盈量，材料与表面粗糙度决定摩擦系数,垂直度影响二者的轴线对中情况,控制臂套管长度影响二者的接触面积,材料的组合影响控制臂套管或衬套外壁的塑性变形情况。表2 衬套压装的主要影响因素影响项控制臂套管内径及公差带、外径及公差摩擦系数、过拔模斜度、套管带、外壁厚度、盈量、轴线壁厚、套管长外壁材料、表对中主要因素度、材料、圆柱面粗糙度度、垂直度、表面粗糙度(b)三维模型经过筛选，有限元仿真可以模拟的衬套压装影响因素包括：过盈量、衬套外壁的材料与壁厚、控制臂套管的拔模斜度及二者的接触段长度等。4单因子影响因素的仿真结果4.1过盈量的影响(b)三维模型假设过盈量为0.3、0.6.0.9和1.2 mm，计算得到压入力、压出力与过盈量的关系，见图7。由此可知，过盈量越大压入力越大，但压出力呈递减趋势为确保压出力满足设计要求，过盈量不宜大于0.4 mm。cae ;smucae 2023年应变力、压出力4.27%18574N4.274%18529N0.16%0.09%4.27%4.274%0.09%0.09%衬套0.25%12728N12.803 N0.59%配合第2 期40+压入力+压出力302010F00.20.40.60.81.01.21.4过盈量/mm图7压入力、压出力与过盈量的关系4.2衬套外壁材料的影响在0.3mm过盈量下，将衬套外壁的材料分别改为AL6061（屈服强度为2 4 4 MPa）、A L6 0 8 2（屈服强度为310 MPA）、H R 34 0（屈服强度为34 5MPa）和QT550（屈服强度为4 0 3MPa），得到压人力、压出力与材料屈服强度的关系,见图8。可知，衬套外壁材料的屈服强度越高，压人力、压出力越大。30+压入力+压出力2010F20250屈服强度/MPa图8 压入力、压出力与衬套外壁材料屈服的关系4.3衬套外壁厚度的影响在0.3mm过盈量下，将衬套外壁的厚度从初始的1.5mm依次增加0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0mm,得到压入力、压出力与衬套外壁厚度的关系，见图9。可知，衬套外壁厚度越厚,压入力和压出力越大。40+压入力压出力3020101.41.61.82.02.02.42.6壁厚/mm图9压入力、压出力与衬套外壁厚度的关系4.4#控制臂套管拔模斜度的影响在0.3mm过盈量下，设定控制臂套管的拔模斜度为0 0.30.8 1.2 和1.5，得到压入力、压出力与控制臂套管拔模斜度的关系，见图10。可知，拔模斜度在0.3时压入力和压出力均最大，继续增大拔模斜度，压人力和压出力减小。cae ;smucae 盛云，等：某前下控制臂衬套压装影响因素仿真1工00.20.40.60.81.0拔模斜度/）图10压入力、压出力与套管拔模斜度的关系4.5接触段长度的影响在0.3mm过盈量下,改变衬套外壁与控制臂套管接触的长度，增加量依次设为2.0、1.5、1.0、0.5、0、-0.5、-1.0、-1.5和-2.0 mm,得到压入力、压出力与接触长度的关系，见图11。可知,接触长度对压入力和压出力的影响相对较小。25+压入力+压出力2010-3-2-10123接触段长度/mm3003502930+压入力+压出力20104004501.21.41.61图11压入力、压出力与接触长度的关系5双因子影响因素的仿真结果实际上，衬套的压人力、压出力可能受2 个或2个以上因素的影响，下面对2 个因素共同作用下的变化规律进行仿真分析。5.1过盈量与控制臂套管拔模斜度过盈量、控制臂套管拔模斜度综合影响下的压人力仿真结果见表3，压出力仿真结果见表4。表3过盈量、控制臂套管拔模斜度综合影响下的压入力kN过盈量/控制臂套管拔模斜度mm00.319.70.626.80.931.21.233.9由表3和4 可知：随着过盈量的增大，衬套压出力达到最大值时所对应的控制臂套管拔模斜度有递增趋势;过盈量控制在0.6 0.9mm、控制臂套管拔模斜度在0.8 1.5时，压入力、压出力有较优结果。0.325.224.229.232.7http:/0.816.729.629.831.51.214.027.632.732.41.513.822.232.133.930表4 压出力与过盈量、控制臂套管拔模斜度的关系kN过盈量/控制臂套管拔模斜度mm00.315.70.612.70.912.01.210.15.2过盈量与衬套外壁套管材料过盈量、衬套外壁材料综合影响下的压人力仿真结果见表5，压出力仿真结果见表6。表5压入力与过盈量、衬套外壁材料的关系kN过盈量/衬套外壁材料mmAL60610.314.70.616.60.920.0表6压出力与过盈量、衬套外壁材料的关系kN过盈量/衬套外壁材料mmAL60610.311.70.69.70.98.4由表5和6 可知：压入力与过盈量、衬套外壁材料的屈服强度正相关,过盈量越大、材料屈服强度越高，压人力越大；对于同一种材料，过盈量越大,压出力越小，但同一过盈量下，衬套外壁材料屈服强度越高，压出力降大。因此,过盈量与衬套外壁材料的选择需综合压人力、压出力的大小。5.3过盈量与衬套外壁壁厚过盈量、衬套外壁壁厚综合影响下的压人力仿真结果见表7,压出力仿真结果见表8。参考文献：1 余振龙，具龙锡.轿车悬架橡胶衬套结构特点分析J：汽车技术，2 0 0 9（8)：34-38.2黄丰云，刘路，徐劲力基于运动学橡胶衬套对独立后悬架性能影响J机械设计与制造，2 0 19(3)：2 4 8-2 51.DOI：10.19356/ki.1001-3997.2019.03.061.3彭福泰，师国靖，衬套刚度对悬架运动学特性参数影响分析J：汽车实用技术，2 0 2 0（7）：156-16 1.D0I：10.16 6 38/j.c n k i.16 7 1-7988.2020.07.046.(下转第36 页）http:/cae ;smucae 计算机辅助工程表7 压入力与过盈量、衬套外壁厚度的关系kN衬套外壁厚度/mm过盈量0.30.820.714.816.422.012.418.711.211.9AL6082HR34018.119.719.526.823.731.2AL6082HR34015.315.713.312.710.212.02023年1.21.512.412.219.817.422.121.817.721.3QT55023.929.735.4QT55020.017.215.21.5 mm1.7 mm1.9 mm2.1 mm2.3mm2.5mm0.319.70.626.80.931.2表8 压出力与过盈量、衬套外壁厚度的关系kN过盈量/衬套外壁厚度mm1.5 mm1.7 mm1.9 mm2.1 mm2.3mm2.5mm0.315.40.612.60.911.7由表7 和8 可知：压人力与过盈量、衬套外壁厚度正相关，过盈量越大、壁厚越厚，压人力越大；衬套外壁厚度越厚,压出力也有递增趋势，但过盈量的影响相对弱一些。为获得较大的压出力，可选择较厚的壁厚与较低的过盈量组合。6 结 论(1)对于衬套的压人力，衬套外壁的厚度为主要影响因素,衬套外壁材料、控制臂套管的影响效果比较接近。(2)对于衬套的压出力，当过盈量为0.3mm时,衬套外壁厚度为主要影响因素，衬套外壁材料、控制臂套管的拔模斜度影响较弱；当过盈量为0.6和0.9mm时，控制臂套管的拔模斜度是影响压出力的主要因素，衬套外壁厚度次之,衬套外壁材料的影响最弱。(3)用压出力结果除以压人力，可知：当过盈量为0.3mm时,改变单一影响因素,压出力与压入力有较强的相关性,压出力衰减2 0%左右；当过盈量为0.6 和0.9mm时，仅改变衬套外壁厚度时，压出力分别衰减约50%和6 0%。22.631.336.018.014.814.226.735.740.921.117.516.529.739.646.124.019.417.833.343.752.226.821.417.937.049.960.531.323.421.0361815.2007.20.025.9陆鑫，黄勇，李雯，等着陆作用下月尘激扬的三维离散元分析J.航天器工程，2 0 11，2 0（1)：10 1-10 8.D0I：10.396 9/j.is s n.16 7 3-8748.2011.01.014.10 陈阔，李娜，冯华君，等悬浮月尘的遮挡模型J.北京航空航天大学学报，2 0 14，4 0（5）：6 2 4-6 2 8.D0I:10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0369.11孙浩，高海洋，沈志刚，等，模拟月尘BHLD20改进研究J.载人航天，2 0 18，2 4（5）：6 4 3-6 4 8.D0I：10.16 32 9/j.c n k i.z r h t.2 0 18.0 5.013.12 王刘杰，赵维，周双珍，等基于静电技术的模拟月尘加载电荷方法研究J载人航天，2 0 2 2，2 8（3）：2 91-2 96.D0I：10.16 32 9/ki.zrht.2022.03.003.13 姚日剑，杨生胜，王先荣，等。CE-3着陆器着陆时月尘量的测量分析J空间电子技术，2 0 15，12（3）：99-10 2.DOI：10.396 9/j.i s s n.1674-7135.2015.03.017.14罗勇土工问题的颗粒流数值模拟及应用研究D杭州：浙江大学，2 0 0 7.15 HAPKE B,CASSIDY 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