毕业论文-车用扭杆结构强度分析研究.docx

中北大学2017届毕业设计说明书毕业设计说明书车用扭杆结构强度分析研究学生姓名： 学号： 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 车辆工程 指导教师： 2017 年 06 月 车用扭杆结构强度分析研究摘 要 随着技术水平的提高，扭杆作为受力杆件在当今汽车设计中应用越来越广泛。本文通过对车用扭杆的结构、种类及特点，以及国内外对扭杆研究现状的分析。针对抗侧滚扭杆的结构强度和疲劳寿命进行分析研究。采用SolidWorks软件对扭杆进行建模，采用ANSYS分析软件，采用有限元分析方法对车用扭杆强度进行有限元分析。通过对比有限元分析结果与传统力学分析结果，验证传统分析方法的可靠性。证明本次分析结果是正确的。最后对车用扭杆的加工制造工艺也进行了分析。关键词：SolidWorks，ANSYS，扭杆，有限元，制造工艺Analysis on The Strength of Automotive Torsion BarAbstractNowadays,with the improvement of the technical level,torsion bars are becoming more and more widely used in automobile design.In this paper,the structural strength and fatigue life of the anti roll torsion bar are analyzed and studied after analyzing the structure,types and characteristics of automotive torsion bar, and the research status of torsion bar at home and abroad.SolidWorks software is used to model the torsion bar. ANSYS analysis software is adopted to analyze the strength of the torsion bar by finite element method.By comparing the results of finite element analysis with the traditional mechanical analysis,the reliability of the traditional analysis method is verified.It is proved that the analysis result is correct.Finally,the manufacturing process of the automotive torsion bar is also analyzed.Keywords: SolidWorks, ANSYS, Torsion bar, Finite element, Manufacturing process目 录1 引言11.1 车用扭杆概述11.1.1 扭杆的种类11.1.2 各扭杆的作用11.2 国内外研究情况31.2.1 国内外扭杆结构特点31.2.2 国内外的研究情况31.3 材料选取31.4 研究内容41.4.1 课题研究目的及意义41.4.2 工作内容42 有限元分析及过程简介52.1 有限元法概念52.2 SolidWorks软件介绍52.3 SolidWorks Simulation插件介绍52.4 SolidWorks Simulation 有限元分析步骤62.4.1 有限元求解一般方法62.4.2 SolidWorks Simulation 有限元分析步骤62.5 ANSYS软件介绍72.6 ANSYS分析流程概述82.6.1 ANSYS分析流程82.6.2 前处理92.6.3 加载与求解92.6.4 后处理113 研究对象123.1 原始数据123.2 扭杆轴基本材料属性介绍134 理论分析144.1 受力分析144.2 传统力学计算144.3 小结165 扭杆有限元分析175.1 对扭杆进行三维建模175.2 有限元法强度分析205.2.1 启用ANSYS软件进行分析205.2.2 对比结果245.3 疲劳寿命分析245.3.1 疲劳概述245.3.2 材料特性255.3.3 疲劳分析255.4 小结266 扭杆加工工艺276.1 扭杆轴制造工艺分析276.1.1 粗加工276.1.2 热处理286.1.3 精加工286.1.4 表面处理286.2 小结297 结论30附 录31参考文献35致谢37III1 引言1.1 车用扭杆概述扭杆作为扭杆弹簧在汽车上有着很重要的作用，比如扭杆弹簧悬架将车桥和车架相连接，把路面对车架的冲击载荷传递过去，衰减冲击载荷带来的振动1，从而使汽车行驶变得平顺。扭杆弹簧悬架大多应用在中小型客车和货车上，质量扭杆弹簧的主要单元比其它弹性元件具有更大的能量，比其他悬架更容易放置，有利于提高车辆行驶平顺性等特点。1.1.1 扭杆的种类 大约50年前，扭杆开始运用在汽车的悬架弹簧上。这种运用在悬架弹簧上的扭杆分为两个种类，分别为前悬架扭杆和后悬架扭杆。一般纵向布置安装的扭杆称为前悬架扭杆，其连接在转向臂的控制臂上2。在一些经常行驶路况较差，转向频繁的汽车上常常用到这种悬架。在我国，这种悬架结构2经常被用于各种汽车上，比如CA1020系列解放车，南京依维柯和沈阳金杯等等2。若采用前悬架扭杆的四轮驱动的汽车，就没有必要留出安装变速箱轴的空间。使用后悬架扭杆的中小型的面包车可以增加后备箱的使用空间。扭杆连接在控制臂上并水平安装在车身上，不会占太多空间。在中重型货车上还有第三种扭杆，驾驶室翻转扭杆。1.1.2 各扭杆的作用a.后悬架扭杆的作用如今采用后轴的车身共同特点是不能调节车身的高度，使用后悬架扭杆就可以解决这个问题。在进行装配的时候，扭杆花键齿数的不同可以对端头间角度进行微调，并保证臂位置的准确3。具体可以分为二轴扭杆、三轴扭杆和四轴扭杆机构。在机构中，扭杆的作用分别为：传递扭矩和阻止滚动。 b.前悬架扭杆的作用 将扭杆装置和车身连接在一起，当底盘的零件装配完成后，就可以对车身高度进行调节。 c.翻转扭杆的作用4 有些型号的卡车需要进行发动机维修时，必须要将驾驶室翻转过来。翻转机构的扭杆必须在所有应力范围内进行。在驾驶室翻起时，为了保持平衡，驾驶室翻转扭杆在绝大多数时间内都承载，只能在它所均衡的机构起作用时扭杆才可以放松。因而，蠕变破坏比一直翻起的疲劳破坏更重要。 翻转扭杆特点： 翻起驾驶室时，因为重力的原因，引起的阻力矩最大，所以需要比较大的举升力矩。然而随着驾驶室缓缓向前翻，重力的作用力臂逐渐变短，阻力矩也随之逐渐变小，所需求的举升力矩也越来越小。运用这个特点，给驾驶室装置翻转扭杆，并在翻转初的时候给扭杆一初始角度，这时候扭杆产生的扭矩就比较大，但随着驾驶室缓缓向前翻，翻转扭杆初始角度就渐渐减小，因而产生的扭矩也慢慢变小。经过这样解决，驾驶室在前翻时，过程就相比平缓，也不需要太多的外界人力。扭杆作为一种弹性元件，因为其质量小、构造简易、所占用位置小、没有摩擦、不必维护保养，在当代汽车的悬架结构中，早就开始使用扭杆了。汽车上用的扭杆弹簧按其扭杆的断面形态可分为圆形、管形、片状及组合式等几种。其中圆形断面的扭杆单位质量所能储存的能量比其余断面的都大，是重量最轻的弹簧，因此使用得也最多。驾驶室的翻转扭杆也都是用的圆形断面的扭杆4。 扭杆悬架出现在汽车上大概在30年代，随着扭杆弹簧和扭杆悬架研究的深入，扭杆悬架技术不断成熟，扭杆弹簧悬架在各种车辆中得到了越来越广泛的应用，扭杆弹簧和扭杆悬架在汽车中得到广泛应用，是因为它主要具有以下优势56：（1）扭杆弹簧单位质量储能比其他任何类型的弹簧元件（例如钢板弹簧、螺旋弹簧）的单位质量储能都要大。（2）扭杆弹簧较之螺旋弹簧，扭杆弹簧的结构更加紧凑，布置起来比较方便。也能很方便地调整车身的高度。（3）若采用扭杆弹簧，可以减轻汽车非簧载质量，汽车的平顺性也随之得到提高。（4）扭杆弹簧由于结构比较简单，方便进行保养，没有什么维护要求7。 通常情况下，扭杆弹簧都是由弹簧钢制作而成的杆件。扭杆的截面由圆形，矩形和管形。扭杆的两端通常有正方形，六角形或者是圆柱形等等，这样方便将扭杆固定在车架和悬架之间。悬架摆臂和车轮相连接，当车轮进行跳动时，摆臂绕扭杆轴线摆动，扭杆受力产生弹性形变。这样，车轮和车架之间始终保持弹性联系，保持汽车的平顺性。因为扭杆弹簧具有质量小，占用空间小、结构简单、维修方便等特点，在独立悬架中的应用也日益增多8。1.2 国内外研究情况1.2.1 国内外扭杆结构特点美国的扭杆端头大多采用六角固定，在亚洲和欧洲，采用花键固定端。在亚洲和美国，扭杆常用的材料是铬、铬硅或锰硅弹簧钢，一般都是由不同类型的锻造机通过闭式模锻方法锻造而成。所用的这些材料通常会在气体加热炉中加热并油冷淬火。在欧洲，有些汽车的扭杆也是用这样的工艺制造出来的。因为后悬架扭杆的各个参数和数量都远不及前悬架扭杆，所以后悬架扭杆的生产工艺也不一样。端头的加工方法一般是采用开模镦粗和机械加工相结合。对于花键端头的轻质量扭杆，这种工艺一直被使用，这样可以提高扭杆的应力级别。而且扭杆的材料一般是碳钢，方便大量生产，因此这种工艺也在逐渐应用于制造质量重，杆径粗的六角端头固定扭杆9。我国汽车的扭杆大多采用花键固定端头,主要采用上述两种工艺制成1。经多年的研究工作，对于解放系列轻型车前悬架扭杆已经可以采用低合金结构钢经过表面硬化处理制成。这样，工艺性能和使用性能可以变得更优良。在我国，对于驾驶室翻转扭杆来说，现大多采用弹簧钢,端头锻造或机加成形,经调质热处理制成10。1.2.2 国内外的研究情况 目前，国内的加工工艺相对较落后，因此，提高材料的性能成为扭杆的主要研究方向。国内大多对扭杆的材料，可靠性及加工工艺等方面进行研究。近几年对扭杆的优化设计也逐渐增多，提高扭杆表面硬度及质量、利用有限元分析法对扭杆进行静态分析对其结构进行优化。为了使扭杆具有更好的可靠性和寿命，还可以选用新材料。国外在扭杆方面的研究大多是对有特殊用途的扭杆弹簧，比如月球车的扭杆弹簧。国外的研究方法和工具都比国内先进，他们也有对扭杆可靠性的研究。国外常常来研究整车性能，通过配合阻尼系统和布置形式，而并不是研究单一的扭杆弹簧11。1.3 材料选取 平时所使用的弹簧钢材料是碳素钢或是低合金钢12。碳素弹簧钢碳的含量一般在0.6%1.05%范围；低合金弹簧钢在0.4%0.74范围。通常在碳素钢的基础上，定量加入一些合金元素来提高钢的各种力学性能、淬透性，满足制造弹簧的各个性能。合金弹簧钢的基本组成系列有，硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在化学成分中，C、Si、Mn、Cr、V为优质合金弹簧钢涉及的主要元素，P、S、Cu为有害元素，另外为保证弹簧钢有高的疲劳寿命，要求钢的纯净度高，非金属夹杂物少，表面质量高。根据常用扭杆材料规范，一般常用的有40CrNiMoA、50CrVE、51CrV4、52CrMoV4、42CrMo、34CrNiMo6、60Si2Mn等，但如40CrNiMoA和34CrNiMo6的含碳量仅为0.3%0.41%，其强度值较低；而60Si2Mn虽然含碳量高，但是材料的合金元素少，满足不了高淬透性的要求。综合强度等要求，选择52CrMoV4作为本次研究扭杆材料11。1.4 研究内容1.4.1 课题研究目的及意义 汽车在人们生活中承担着非常重要的角色，随着生活生产水平的日益提高，人们对汽车的性能要求也是越来越高。扭杆的可靠性和安全性对汽车的安全行驶有着密不可分的关系。因此，本课题就对扭杆的强度进行分析研究。通过有限元分析与理论计算作对比，得到扭杆的强度。1.4.2 工作内容本课题主要工作如下： （1）查阅相关资料，了解国内外研究现状； （2）按照已知扭杆的数据，对扭杆进行理论受力分析； （3）利用SolidWorks软件对扭杆进行三维建模； （4）利用ANSYS对扭杆进行强度仿真分析以及疲劳分析； （5）对扭杆的加工工艺进行分析。2 有限元分析及过程简介2.1 有限元法概念有限元法是一种将数值离散化的方法，根据变分原理求其数值解。因而适合于求解构造形态及边界条件相比复杂、材料特性不均匀等力学问题可以处理几乎一切工程领域中各种边值问题(均衡或定常问题、动态或非定常问题)。有限元法的基本思想是：在结构分析和整体结构受力分析的基础上，对结构进行了简化，使用离散化方法简化了边界结构，将结构划分成有限个单元，各个单元在有限节点相连接形成组合体结构。而后，从单元分析开始，给每个单元建立刚度方程，并用计算机对每个均衡方程组进行求解，便可得到问题的数值近似解。用有限元法进行结构分析步骤是：结构和受力分析-离散化处理-单元分析-整体分析-引入边界条件求解13。2.2 SolidWorks软件介绍 SolidWorks是基于Windows系统研发的第一套三维软件。该软件以参数化特征造型为基础，是当前最优秀的中档三维CAD软件之一。自从1996年生信实维公司将SolidWorks引入中国以来，它受到了广泛好评，许多高等院校也将SolidWorks用作本科生教学和课程设计的首选软件。 SolidWorks程序是一款机械设计自动化软件，使用这套简单易学的软件工具，机械设计工程师能快速地按照其设计思想绘制出草图，并可运用特征与尺寸，帮助工程师快速绘制零件实体、完成装配体和更加详细的工程视图。SolidWorks软件拥有很多的插件，功能十分强大、易学易用和技术创新是其三大特点。这使得SolidWorks成为领先和主流的三维CAD解决方案。SolidWorks可以提供不同的设计方法，为设计师避免很多不必要的错误，提高产品的质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，且操作更简单方便，易学易用14。2.3 SolidWorks Simulation插件介绍 Simulation分析是一款基于有限元法（FEA）的设计分析软件，主要包含对零件和装配体进行静力分析、热力分析、屈曲分析、跌落测试、疲劳计算等功能。设计工作者在实际设计中必然会牵扯到大量的结构分析、校核验算等工作，这也必然会消耗大量的人力、物力、财力。而分析软件中的这些功能可以帮助设计工作者在设计的时候对零件进行校核分析和优化，减小设计缺陷，缩短设计时间，降低零件失效概率，从而降低产品开发成本。2.4 SolidWorks Simulation 有限元分析步骤对于再复杂的项目，不管是结构分析还是流体分析，有限元法求解的步骤都是一样的。2.4.1 有限元求解一般方法 （1）建立数学模型。Simulation插件对零件进行分析时，要将零件划分为适度小的有限单元，及网格划分。为了达到网格划分的需要，通常需要对零件采取特征消隐等方法进行修改。 （2）建立有限元模型。对数学模型进行离散化，划分成有限单元，对零件进一步网格划分。这时，零件看起来都是网格，成为网格模型。这一过程将载荷和支撑也施加到了网格的节点上。 （3）求解有限元模型。利用Simulation求解器对有限元模型进行求解。 （4）结果分析。整体来看，结果分析是最困难也是最重要的一步。有限元模型求解会提供非常详实的数据，这些数据以各种形式表达出来。我们必须考虑全面才能正确解释结果。2.4.2 SolidWorks Simulation 有限元分析步骤以上就是SolidWorks Simulation有限元分析求解的一般方法。在实际应用过程中，往往都是遵循以下步骤：新算例定义材料添加夹具约束施加载荷网格划分运行求解对比分析结果图2.1 有限元分析方法2.5 ANSYS软件介绍在工程分析上，ANSYS软件拥有很多的分析手段。如今，ANSYS已经应用于很多领域，结构分析领域是ANSYS应用成功的领域之一。ANSYS软件发展到今天已经成为一个功能齐全、应用广泛的软件。结构分析是ANSYS的强项所在，其分析结果已被工程师们广泛接受。另外，随着工程进度越来越快，新产品的更新越来越频繁，使用ANSYS进行工程分析显得十分必要。因为分析软件可以大量简化设计和试验过程。ANSYS分析的基本流程包括前处理、加载与求解及后处理。ANSYS分析的基本操作方式为15：1. 前处理一般是建立几何模型并划分网格获得有限元模型，通过前者对分析对象进行描述，通过后者对分析对象离散以进行求解；另外，前处理过程还包括单元类型、材料参数以及其他与有限元单元相关的参数的设置。2. 加载与求解一般包括设置载荷、分析类型、求解器的设置与求解过程本身。设置载荷使有限元模型能够模拟真实情况下的受载情况；设置分析类型可以针对性地使求解过程为求解目的服务；求解器的设置可以使求解器在求解中很好地协调求解精度和求解速度，还可以通过不同的方式进行求解；求解过程是ANSYS程序通过通用求解器，对有限元模型建立方程并通过设置的方法、步长和精度解方程的过程。3. 后处理对求解的结果进行描述。一般而言，后处理器对求解结果的表述方法有两种，一种为图形化显示，另一种为数据列表显示。前一种方法可以得到直观的认识，而后一种方法可以得到精确的数据；在分析中，两种方法相辅相成。结构分析中常用的后处理器包括通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26；在通用后处理器中，可以对特定时间的整体求解结果进行查看；在时间历程后处理器中，可以对特定部位的整个时间历程求解结果进行查看。在ANSYS中，后处理器的功能非常强大，基本可以满足用户需要。2.6 ANSYS分析流程概述2.6.1 ANSYS分析流程通常ANSYS有限元分析包括3个流程：建立模型、施加载荷并求解和获取结果。按照这3个流程，可以将整个流程分为以下步骤16： （1）指定分析项目名。此步骤不是必须的，但往往为了以免与其他项目混淆，最好设定项目名。如果ANSYS在进行分析时，没有指定分析项目名，ANSYS系统会使用默认的名称FILE或者file，可以使用/FILNAME改变项目名称和使用/TITLE改变分析名。 （2）指定单位系统。ANSYS中并不提供单位，所以开始分析时需要自己为分析准备一套单位系统；在程序中的任何时候，所有数据都应遵循这套单位系统。对于微机电系统，尺寸一般在微米级，在进行分析的时候有必要进行单位转换。 （3）定义单元类型。ANSYS提供超过150种不同的有限元单元类型，每种网格有个唯一的单元号和一个前缀，提供不同的单元结构（包括自由度数、节点数），划分网格前必须定义。 （4）定义单元实常数。 （5）定义材料特性。 （6）建立几何模型，划分网格。 （7）设置分析类型和分析选项。 （8）施加载荷：施加包括约束、力、面载荷、体载荷、惯性载荷、耦合载荷（6种ANSYS载荷类型），大部分载荷可以施加到实体模型（包括关键点、线和面）上或是有限元模型（包括节点和单元）上。 （9）设置加载步选项。 （10）求解。 （11）查看结果。 通常情况下，我们把上面的步骤叫做前处理，加载与求解和后处理： 步骤1到步骤7可叫做前处理，主要任务是是几何建模和网格划分； 步骤810叫做加载与求解，其设置求解条件并求解； 步骤11被叫做后处理，处理结果时，往往使用通用后处理器/POST1和时间历程后处理器/POST26。2.6.2 前处理在ANSYS中，前处理主要包括几何建模和网格划分的过程，想要得到可以用来进行有限元计算的模型，就得定义模型中的节点、网格单元和边界条件等。ANSYS通常可以通过三种方法实现有限元建模： 创建实体模型； 直接生成有限元模型； 从文件中导入模型。第一种方法是通过已经建立的几何模型、控制模型的尺寸和形状，另ANSYS可以自动形成全部的节点和单元，创建有限元模型。而第二种方法需要明确节点的位置、模型的尺寸和形状等。将这两种方法相互比较，第一种方法的方式可以解决大型并且复杂的问题，但第二种方法在简单模型生成方面更具有优势。第三种方法，可以运用别的大型建模软件创建几何模型，方便生成大型复杂的模型，但在进行划分网格前，通常需要进行大量修改。2.6.3 加载与求解创建了有限元模型后，需要将实际外界条件加载到有限元模型上，通过建立数学模型的边界条件和初始条件对实际问题进行模拟；随后选择适宜的求解器，并掌握求解过程和输出，可以完成对不同物理现象的仿真。 （1）选取加载对象选取合适的加载对象是加载的第一步。在加载的过程中可以使用直接选取、组件选取和图形选取的方式，识别需要加载的对象；为了方便操作，常将几何图元集合到一起并赋予几何标识，通过这样的标识来选取加载对象。在ANSYS求解时，载荷都直接施加在节点和网格单元上，但是如果直接在节点上施加载荷，那么程序的数据量太大、操作复杂而且容易出错。因此，ANSYS将载荷与图元同等对待，准许载荷可以直接施加在几何模型上。几何模型载荷往往指施加在几何模型图元（包括关键点、线、面、和体）上的载荷，优点在于： 几何模型载荷独立于有限元网格单元外，网格单元的变化并不影响施加在下层图元上的载荷；这样，即使重新划分网格，也不需要重新施加载荷。 在使用GUI交互时，通过图形选取来施加载荷时，因为集合图元相当于有限元单元少得多，所以施加载荷操作相对容易。但施加几何模型载荷也存在缺点： 有限元网格单元的节点坐标系通常采用全局正交坐标系，而网格单元则采用在划分时激活的坐标系；如果划分时激活的坐标系不是全局正交坐标系，那么网格单元和节点的坐标系可能不一致。 在缩减分析中，载荷施加于节点坐标系定义的主自由度，因此几何模型载荷不如使用网格单元载荷方便。 定义关键点约束将可能出现意想不到的结果，如导致过度约束。 不能够同时显示所有的模型载荷。 （2）载荷类型ANSYS中的载荷包括边界条件和模型内部或外部的作用力。在结构分析中，载荷主要分为6类，分别为自由度约束、集中载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。载荷特点见表2.1：表2.1 ANSYS载荷特点载荷类型特点自由度约束施加在图元上，设置自由度的位移约束条件集中载荷集中施加在模型节点上的力和力矩面载荷施加在几何模型表面的压力，计算时分布到节点上体载荷施加在体上的结构温度惯性载荷施加质量引起的加速度等惯性载荷耦合场载荷以分析结果的结果作为输入载荷 载荷操作一般包括施加载荷、查看载荷、修改载荷、删除载荷和载荷运算等。（1） 求解与输出ANSYS程序有直接解法，稀疏矩阵直接解法、条件共轭等值法、雅克比共轭等值法等几种解方程的办法，通常默认的是直接解法。 为了避免在求解时发生死机或别的意外，从而对文件造成损失。所以在进行求解前，我们必须保存数据库。在进行求解时，有时会提示求解错误，这时应分析失败原因。求解失败常见问题包括： 约束不够；这时刚体会发生转动从而导致求解失败； 若模型中存在非线性单元，某些结构会出现崩溃或“松脱”等现象； 材料性质参数有负值，如密度。2.6.4 后处理进行了前处理并对模型进行求解之后，就可以进行后处理了。在后处理时，可以查看我们想要查看的结果，比如应力分析、温度场分布等。3 研究对象3.1 原始数据 扭杆的尺寸数据如图3.1、图3.2所示，本课题将对抗侧滚扭杆进行分析。图3.1 扭杆结构简图图3.2 扭转臂尺寸参数3.2 扭杆轴基本材料属性介绍 国内扭杆材料大多采用优质合金钢或者热轧弹簧钢，比如42CrMo、45CrNiMoVA、50CrVA、51CrV4、60CrMnMoA等材料17。本课题选用的是52CrMoV4合金结构钢材料，进行锻造。该材料抗拉强度为13701670MPa，屈服强度1175MPa，屈服极限为1300MPa，疲劳极限为742.5MPa，许用剪应力为745MPa。正常运营工况载荷为37KN，特殊载荷工况下的载荷为62KN。该材料化学成分见表3.1：表3.1 52CrMoV4化学成分（%）材料CMnSiP,SVCrMo52CrMoV40.480.560.701.100.400.0250.100.200.901.200.150.30 52CrMoV4机械性能见表3.2：表3.2 52CrMoV4机械性能材料屈服强度抗拉强度伸长率52CrMoV41175MPa13701670MPa6%4 理论分析4.1 受力分析扭杆受力简图如下图所示，承受弯矩，扭矩，剪切力等。扭杆最大应力应发生在A点截面56.9与R90圆弧过渡段。过渡段长度： （4-1） 计算得。上式中，D为圆弧过渡段大直径，d为圆弧过渡段小直径，r为圆弧半径。 则：A点截面距离受力点F的距离为：图4.1 扭杆受力分析注：为运营载荷；为轴颈处支撑力4.2 传统力学计算 在正常运营工况下，载荷F为37KN；特殊载荷工况下，载荷F为62KN。 A点截面距离受力点F的距离L1为73.08mm。在正常载荷工况下，扭杆受到的最大应力不能超过材料的疲劳极限742.5MPa。在特殊载荷工况下，扭杆所受载荷为极限静载荷。最大应力不得超过材料的屈服极限1300MPa，最大剪应力不能超过材料的许用剪应力745MPa18。 正常运营工况下： 弯矩大小为： Nm 扭矩大小为： Nm 抗扭截面系数： 抗弯截面系数： 弯应力大小为： 剪应力大小为： 由于扭杆属于弹性变形吸能，所以合成应力采用第四强度理论： A截面的合成应力为： 为许用剪应力18。 在特殊载荷工况下： 弯矩大小为： 扭矩大小为： 抗扭截面系数为： 抗弯截面系数为： 弯应力为： 剪应力为： 由于扭杆属于弹性变形吸能，所以合成应力采用第四强度理论： A截面的合成应力为： 4.3 小结正常工况下，扭杆所受最大等效应力为335.99MPa，受到的剪应力为173.76MPa，满足强度条件。特殊工况下，扭杆所受最大等效应力为563.02MPa，受到的剪应力为291.16MPa，满足强度条件。5 扭杆有限元分析5.1 对扭杆进行三维建模 根据扭杆结构特点，可将扭杆划分为一根扭杆和两个扭转臂。首先，建立一个扭杆模型，在SolidWorks 2014软件中，根据扭杆结构尺寸特点，运用特征法，对草图进行拉伸、圆角，生成扭杆模型，如图5.1。图5.1 扭杆 其次，根据扭转臂的结构尺寸特点，在SolidWorks 2014软件中采用特征法，对草图进行拉伸，倒模等操作，生成扭转臂模型，如图5.2。图5.2 扭转臂 最后，根据扭杆结构特点，利用SolidWorks软件进行装配。新建装配体文件，如图5.3所示；用插入零部件命令分别添加一根扭杆和两个扭转臂，如图5.4所示；根据两零件配合关系，利用配合命令选定特征，进行配合，最后得到完整的扭杆三维模型，如图5.5所示。图5.3 新建装配体图5.4 插入零部件图5.5 扭杆总成三维模型5.2 有限元法强度分析通过反复仿真证明，用SolidWorks软件对细长杆件的有限元分析存在缺陷。SolidWorks simulation仅为用户提供了简易的分析工具，约束形式比较简单，只存在面约束，并且载荷类型较少，不能进行对于分布不均的载荷以及作用在点或线的载荷的应力分析19。为了跟上研究进程，采用ANSYS软件对已做好的三维模型进行有限元法分析。采用SolidWorks建立好的扭杆三维模型可以通过软件设置将模型导入ANSYS中，可以减少工作量，节省时间。5.2.1 启用ANSYS软件进行分析 （1）设定模型材料属性 该扭杆选用的材料为德国进口52CrMoV4合金结构钢，锻造。材料牌号：1.7701. 具体材料特性见表5.1：表5.1 扭杆材料特性名称数值热膨胀系数1.2e-005/K密度7850 kg/m3泊松比0.3弹性模量200MPa比热434 J/（kg. K）热导率60.5 W/（m. K）屈服强度1175MPa剪切模量76.923MPa （2）划分网格 划分网格在有限元分析中尤其重要。网格的划分直接影响到计算时间和计算结果的准确性，划分网格时，划分的精度越高，它的分析过程所运行的时间就更长，相对而言得到的结果也更准确。结构的复杂程度也会影响网格的划分，所以要合理划分网格。本课题分析的扭杆尺寸较长，网格划分比较疏松，因此选择自动划分网格，其节点数为5795。如图5.6所示。图5.6 扭杆网格图 （3）定义约束条件及载荷 扭杆作为受力杆件承受扭矩、弯矩、剪切力等发生弯扭变形，扭杆相对两端轴承支座可以发生扭转，在轴承支座与扭杆相接触的地方施加铰接约束。具体约束及载荷施加如图5.7所示。图5.7 约束及载荷施加 （4）结果分析 进行上述步骤之后，开始运行求解，得到总应变图、等效应力云图、剪切应力云图。改变载荷的大小，得到不同工况下的剪应力云图、等效应力图等。当施加载荷为37KN时：图5.8 载荷为37KN时扭杆等效应力云图图5.9 载荷为37KN时扭杆剪应力云图 如图5.8和图5.9所示，当载荷为37KN时，最大等效应力为339.4MPa，最大剪应力为194.9MPa，并且最大等效应力和最大剪应力都在扭杆R90根部过渡段过渡段。当施加载荷为62KN时：图5.10 载荷为62KN时扭杆等效应力云图图5.11 载荷为62KN时扭杆减应力云图如图5.10和图5.11所示，当载荷为62KN时，最大等效应力为593.9MPa，最大剪应力为303.2MPa，并且最大等效应力和最大剪应力都在扭杆R90根部过渡段。扭杆在不同载荷下的最大等效应力和最大剪应力见表5.2。表5.2 最大等效应力及最大剪应力评估表工况最大等效应力许用应力安全系数结论正常工况339.4MPa742.5MPa2.2合格特殊工况593.9MPa1300MPa2.2合格最大剪应力许用应力安全系数结论正常工况194.9MPa745MPa3.8合格特殊工况303.2MPa745MPa2.5合格5.2.2 对比结果 由ANSYS软件进行的有限元分析结果与理论计算结果对比见表5.3。表5.3 有限元分析与理论计算分析结果对照表理论计算值有限元分析值所在位置误差最大应力正常工况335.99339.4R90根部1.0%特殊工况563.02593.9R90根部5.2%最大剪应力正常工况173.76194.9R90根部10.8%特殊工况291.16303.2R90根部4.0% 对照有限元分析结果，扭杆应力集中于R90mm与56.9过渡段。扭杆在特殊工况应力值最大，最大等效应力为593.9MPa，小于许用应力值1300MPa18，满足强度条件；最大剪应力为303.2MPa，小于许用应力值745MPa，满足强度条件。5.3 疲劳寿命分析5.3.1 疲劳概述疲劳经常会导致工件结构失效20，结构被破坏与工件的反复加载有关。通常我们将疲劳分为两类：扭杆在高循环次数(如1e41e9)的载荷下的疲劳叫做高周疲劳。所以，应力往往低于材料的极限强度，应力疲劳（Stress-based）就是属于高周疲劳；在循环次数相对较低时，产生的疲劳称为低周疲劳。塑性变形由于其力学特性，常常伴随有低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。5.3.2 材料特性因为有线性静力分析，因此必须用到杨氏模量和泊松比：如果有惯性载荷，则需要输入质量密度；要是有热载荷，则必须传输热膨胀系数和热传导率；若使用应力结果工具，那么就需要输入应力极限的数据，并且这个数据也是应用于平均应力修正理论疲劳分析。疲劳模块也必须使用到在工程数据库里面的的材料特性曲线当中的S-N曲线的数据：数据类型在“疲劳特性”(“Fatigue Properties”)下会说明；S-N曲线数据是在材料特性分支条下的“交变应力与循环”(“Alternating Stress vs. Cycles”)选项中输入的。如果S-N曲线的材料数据能够在差异较大的平均应力或应力比的条件下使用，那么多重S-N曲线也可以在程序中得到应用。5.3.3 疲劳分析求解疲劳分析：在正常工况与特殊载荷工况下，扭杆的疲劳寿命图如图5.12和图5.13所示：图5.12 正常工况下扭杆的疲劳寿命图5.13 特殊载荷工况下扭杆的疲劳寿命如图5.13所示，扭杆在特殊工况下的最小疲劳寿命为326.2次，最小疲劳寿命位置出现在扭杆R90根部过渡段。5.4 小结 根据有限元分析结果与传统力学分析结果的比较，满足扭杆强度条件，验证了传统力学分析的可靠性。也证明有限元分析的方便性，直观了解工件受力以及破坏情况，减少实验次数，降低实验成本。6 扭杆加工工艺扭杆作为受力杆件常常受到弯应力，剪应力，弯矩等载荷，虽然构造比较简单，但在工作时受到的载荷挺大，因此，为了提高扭杆的使用寿命，提高扭杆结构强度，接下来对扭杆的加工工艺进行分析。扭杆的工作原理是扭杆轴受力产生弹性形变，因此，我们对扭杆轴进行加工工艺分析。扭杆轴结构简图如图6.1 所示图6.1 扭杆轴结构简图6.1 扭杆轴制造工艺分析近年来，各大生产厂家常用的生产加工工艺流程为：切料粗加工热处理精加工喷丸处理防锈。通常为了满足零件表面粗糙度增加零件的耐磨性等等要求，许多厂家还增加了滚压、电镀等工序。6.1.1 粗加工下料之后的毛坯件，要经过锻造、粗车外圆、校直等粗加工工序。粗加工需要留有充足的加工余量，方便后面精加工的进行。锻造是很重要的一步工序，经过锻造之后的零件能优化组织结构，提升力学性能。对于工作载荷较高，工作条件严峻的零件，都应锻造。锻造又分为热锻、温锻和冷锻三种。由于钢的再结晶温度大概在727左右，但往往以800为标准，详细划分见表6.1；表6.1 锻造随温度划分温度（）800300800室温锻造热锻温锻冷锻 通常大多数零件都是通过热锻，车用零件往往采用温锻或者冷锻。为了提高扭杆力学性能，节省材料，应采用温锻。6.1.2 热处理热处理通常是指在固体状态下的金属21，经过了加热、保温和冷却等操作，得到我们想要的性能的一种热加工工艺，它可以改变材料表面或内部的化学组成和结构构造。通常热处理包含加热、保温、冷却这三个过程。对工件进行压力加工与热处理相结合的处理方式，明显提高工件的表面强度。热处理一般包括正火处理，退火处理，淬火处理，回火处理等工艺。扭杆材料采用的是52CrMoV4，该材料需要提高强度和韧性，保证扭杆受力变形不易损坏，我们要对扭杆进行淬火和回火处理。淬火后可以使工件表面变硬，但同时会使工件变得比较脆，然而回火可以有效减轻工件的脆性。因此，在淬火处理之后要及时进行回火。 扭杆属于细长杆件，在热处理过程中极易发生畸变而使工件报废。所以在热处理时还应控制加热温度，让温度缓慢地升高，同时对工件悬挂静止加热，使其受热均匀，避免被破坏。6.1.3 精加工精加工会对零件的外表面进一步进行修研，精车外圆、精车圆弧、倒圆等，完善零件尺寸，保证零件表面粗糙度的要求。两端倒圆部分要抛光，圆弧与杆部表面平滑过渡，不允许有粗糙的横向及纵向划痕和其他机械损伤。6.1.4 表面处理表面处理包括对扭杆轴的喷丸处理，滚压及电镀22。扭杆两端R25及中间56.9的扭杆表面须经喷丸处理，喷丸处理的覆盖范围必须大于98%，只允许使用0.80.9mm的切割的金属线进行喷丸，喷丸时间大概20分钟左右，采取悬挂式喷丸设备，用保护套对不喷丸表面进行保护。扭杆两端是安装固定扭杆的，在车辆行驶过程中，扭杆表面与安装支座内表面进行频繁的摩擦，故而，扭杆轴表面须具备良好的耐磨性。因此，需要进行滚压与电镀处理，以此来减小表面粗糙度，提高扭杆的耐磨性和耐腐蚀性。6.2 小结扭杆的加工工艺核心技术在于表面处理，除了大多数零件常常使用的热处理以外，为了增加扭杆的表面强度，还得进行滚压和喷丸处理。喷丸处理的覆盖范围必须大于98%，只允许使用0.80.9mm的切割的金属线进行喷丸，喷丸时间大概20分钟左右，采取悬挂式喷丸设备，用保护套对不喷丸表面进行保护。7 结论通过对本课题的研究，我对扭杆进行了理论计算分析和有限元分析。把两种分析结果作对比，找出扭杆的危险截面，为扭杆的加工工艺提供依据，验证传统力学分析的可靠性。同时验证了有限元分析在实际工作生活中的方便性，有效避免反复试验，节省了材料，降低了科研成本。利用ANSYS软件对扭杆进行了疲劳强度分析，得出扭杆的最小疲劳寿命值326.2次，找出危险截面。在实际生产中，对危险截面进行喷丸，滚压等工艺强化处理，以此来提高扭杆的疲劳寿命。通过对SolidWorks和ANSYS软件的使用得出，SolidWorks软件工作界面简洁，操作简单，很容易上手。ANSYS软件工作项目较多，操作复杂，对于新手很难掌握，但ANSYS比SolidWorks的分析功能更强大。对于建立三维模型，SolidWorks软件会比ANSYS更加方便快捷。第 37 页 共 37 页附 录 扭杆仿真图集：图1 正常运营载荷扭杆等效应力云图图2 正常运营载荷扭杆剪应力云图 图4 正常运营载荷下扭杆等效弹性应变图3 正常运营载荷下扭杆疲劳寿命图5 特殊载荷下扭杆等效应力云图图6 特殊载荷下扭杆剪应力云图图7 特殊载荷下扭杆等效弹性应变图8 特殊载荷下扭杆疲劳寿命参考文献1 宋晓琳.基于免疫算法的汽车主动悬架控制技术研究D.博士