一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法和装置与流程

1.本发明涉及汽车技术领域，具体的说是一种确定双横臂式前转向节球头连接结构在误用工况下的轴力损失的方法和装置。


背景技术：

2.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。
3.转向节在工作过程中，由于用户使用不当发生的误用工况，包括轮心向前大负荷、轮心向后大负荷，轮心向上大负荷、接地点向内大负荷、扭转大负荷等工况，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满足在车辆在误用工况下不应出现较大的轴力损失。因为一旦发生轴力损失不容易察觉，会影响转向节球头连接结构的使用寿命，带来安全隐患。严重的会引起转向节球头连接结构断裂，导致车辆失控威胁生命财产安全。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法和装置，是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误用载荷作用下球头螺栓轴力随时间的变化，来确定双横臂式前转向节球头连接结构的误用工况下轴力损失，具有计算精度高，计算速度快和适用性强的优点。
5.本发明技术方案结合附图说明如下：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法，包括：
7.步骤一、建立转向节1、球头螺栓2、衬套3和螺母4的有限元模型；
8.步骤二、定义各零件的连接关系；
9.步骤三、计算球头螺栓2的初始轴力；
10.步骤四、定义各零件非线性材料属性；
11.步骤五、定义边界条件；
12.步骤六、施加步骤二的衬套3与转向节1过盈量；
13.步骤七、预紧过程通过预紧面施加步骤三的球头螺栓2的初始轴力；
14.步骤八、加载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，在球头点7施加误用工况载荷；
15.步骤九、卸载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，将误用载荷卸载至零；
16.步骤十、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；
17.步骤十一、输出预紧过程、加载过程和卸载过程三个阶段球头螺栓2预紧面合力sof与时间曲线；
18.步骤十二、计算得出球头螺栓2轴力损失情况。
19.进一步的，步骤一，所述转向节1建模采用二阶四面体单元；所述球头螺栓2、衬套3是通过二维模型旋转得出，建模采用六面体单元；所述螺母4建模采用六面体单元。
20.进一步的，步骤二，包括建立球头点7与球面分布耦合约束关系；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；建立球头点7与衬套3滑动接触关系，接触面主面为球头点7，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；定义球头螺栓2预紧面；建立球头点7和螺母4绑定约束关系。
21.进一步的，步骤三，考虑球头螺栓2屈服强度利用率、螺栓基本参数、螺纹最小摩擦系数，根据如下公式计算球头螺栓2初始轴力：
[0022][0023]
式中：
[0024]
f为螺栓轴力；
[0025]
a0为螺栓最小截面积，单位为mm2；
[0026]
d0为螺栓最小截面的直径，单位为mm；
[0027]
d2为螺纹中经，单位为mm；
[0028]rp0.2min
为螺栓屈服强度，单位为兆帕mpa；
[0029]
ν为螺栓屈服强度利用率；
[0030]
μ
gmin
为螺纹最小摩擦系数；
[0031]
p为螺距。
[0032]
进一步的，步骤四，定义各零件的非线性材料属性，按公式(2)、(3)定义各零件材料的非线性属性，即材料的真实应力和真实塑料应变的曲线；
[0033]rt
＝k(e
t
)n(2)
[0034]et
＝e
p
es(3)
[0035]
式中：
[0036]rt
为真实应力，单位为兆帕mpa；
[0037]
k为硬化系数，是真实应变等于1时的真实应力；
[0038]
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；
[0039]et
为真实应变；
[0040]ep
为真实塑性应变；
[0041]es
为屈服应变，即屈服强度点对应的塑性应变；
[0042]
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)，
得公式(4)；
[0043]rs
＝k(e
p
es)n(4)
[0044]
此时，令有连接屈服材料时e
p
＝0或有不连续屈服材料时e
p
＝0.2％，得屈服应变es值；
[0045]
任取一组连续的真实塑性应变e
p
代入公式(3)、(4)即得到真实应力r
t
和真实塑性应变e
p
的曲线。
[0046]
进一步的，步骤五，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51-6方向自由度。
[0047]
进一步的，步骤十二，具体方法如下：
[0048]
①
预紧过程：自动调整预紧截面上球头螺栓2的长度，获得球头螺栓2初始轴力；
[0049]
②
加载过程：球头螺栓2长度保持不变，当误用工况载荷作用下，球头螺栓2轴力不断升高；
[0050]
③
卸载过程：结构发生塑性变形抵抗变形能力降低，球头螺栓2轴力下降，得到球头螺栓2残余轴力；
[0051]
④
球头螺栓2轴力损失％＝(初始轴力-残余轴力)*100％/初始轴力。
[0052]
第二方面，本发明实施例还提供了一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的装置，包括：
[0053]
建立有限元模型模块，用于建立转向节1、球头螺栓2、衬套3和螺母4的有限元模型；
[0054]
定义连接关系模块，用于定义各零件的连接关系；
[0055]
计算球头螺栓2的初始轴力模块，用于计算球头螺栓2的初始轴力；
[0056]
定义非线性材料属性模块，用于定义各零件非线性材料属性；
[0057]
定义边界条件模块，用于定义边界条件；
[0058]
施加模块，用于施加步骤二的衬套3与转向节1过盈量；
[0059]
预紧模块，用于预紧过程通过预紧面施加步骤三的球头螺栓2的初始轴力；
[0060]
加载模块，用于加载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，在球头点7施加误用工况载荷；
[0061]
卸载模块，用于卸载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，将误用载荷卸载至零；
[0062]
导入模块，用于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；
[0063]
输出模块，用于输出预紧过程、加载过程和卸载过程三个阶段球头螺栓2预紧面合力sof与时间曲线；
[0064]
计算模块，用于计算球头螺栓2轴力损失。
[0065]
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例中任一所述的一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法。
[0066]
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例中任一所述的一种确定前转向节球头连
接结构轴力损失的方法。
[0067]
本发明的有益效果为：
[0068]
1)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误用载荷作用下球头螺栓轴力随时间的变化，来确定双横臂式前转向节球头连接结构的误用工况下轴力损失。
[0069]
2)本发明具有计算精度高，计算速度快和适用性强的优点。
附图说明
[0070]
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。
[0071]
图1为本发明实施例一中的一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法的流程图；
[0072]
图2a-图2b为转向节球头连接结构误用工况下轴力损失计算模型图；
[0073]
图3为转向节球头连接结构误用工况下轴力损失计算连接关系模型图；
[0074]
图4为转向节球头连接结构误用工况下轴力损失边界条件和载荷加载示意图；
[0075]
图5为转向节球头连接结构误用工况下球头螺栓轴力随时间变化曲线示意图；
[0076]
图6为本发明实施例二中的一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的装置的结构示意图；
[0077]
图7是本发明实施例三中一种电子设备的结构示意图。
[0078]
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
[0079]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0080]
实施例一
[0081]
图1为本发明实施例一提供的一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法的流程图，该方法可以由本发明实施例中的确定前转向节球头连接结构轴力损失的装置来执行，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
[0082]
参阅图2a和图2b，步骤一、建立转向节1、球头螺栓2、衬套3和螺母4的有限元模型；
[0083]
所述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。
[0084]
所述转向节1建模采用二阶四面体单元，建模网格尺寸为1-2mm。
[0085]
所述球头螺栓2、衬套3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，建模采用六面体单元，建模网格尺寸为1-2mm。
[0086]
所述螺母4建模采用六面体单元，建模网格尺寸为2-3mm。
[0087]
步骤二、定义各零件的连接关系；
[0088]
连接关系包括如图3所示：a为建立球头点7与建立球头点7与球面分布耦合约束关系；b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；c为建立球头点7与衬套3滑动接触关系，接触面主面为球头点7，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；d为定义球头螺栓2预紧面；e为建立球头点7和螺母4绑定约束关系。
[0089]
步骤三、计算球头螺栓2的初始轴力；
[0090]
考虑球头螺栓2屈服强度利用率、螺栓基本参数、螺纹最小摩擦系数，根据如下公式计算球头螺栓2初始轴力：
[0091][0092]
式中：
[0093]
f为螺栓轴力；
[0094]
a0为螺栓最小截面积，单位为mm2；
[0095]
d0为螺栓最小截面的直径，单位为mm；
[0096]
d2为螺纹中经，单位为mm；
[0097]rp0.2min
为螺栓屈服强度，单位为兆帕mpa；
[0098]
ν为螺栓屈服强度利用率；
[0099]
μ
gmin
为螺纹最小摩擦系数；
[0100]
p为螺距。
[0101]
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。
[0102]
步骤四、定义各零件非线性材料属性；
[0103]
定义各零件的非线性材料属性，按公式(2)、(3)定义各零件材料的非线性属性，即材料的真实应力和真实塑料应变的曲线；
[0104]rt
＝k(e
t
)n(2)
[0105]et
＝e
p
es(3)
[0106]
式中：
[0107]rt
为真实应力，单位为兆帕mpa；
[0108]
k为硬化系数，是真实应变等于1时的真实应力；
[0109]
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；
[0110]et
为真实应变；
[0111]ep
为真实塑性应变；
[0112]es
为屈服应变，即屈服强度点对应的塑性应变；
[0113]
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)，得公式(4)；
[0114]rs
＝k(e
p
es)n(4)
[0115]
此时，令有连接屈服材料时e
p
＝0或有不连续屈服材料时e
p
＝0.2％，得屈服应变es值；
[0116]
任取一组连续的真实塑性应变e
p
代入公式(3)、(4)即得到真实应力r
t
和真实塑性应变e
p
的曲线。
[0117]
步骤五、定义边界条件；
[0118]
定义边界条件见图4。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51-6方向自由度；
[0119]
步骤六、施加步骤二的衬套3与转向节1过盈量；
[0120]
步骤七、预紧过程通过预紧面施加步骤三的球头螺栓2的初始轴力；
[0121]
步骤八、加载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，在球头点7施加误用工况载荷；
[0122]
步骤九、卸载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，将误用载荷卸载至零；
[0123]
步骤十、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；
[0124]
步骤十一、输出预紧过程、加载过程和卸载过程三个阶段球头螺栓2预紧面合力sof与时间曲线，见图5；
[0125]
步骤十二、计算得出球头螺栓2轴力损失情况。
[0126]
具体方法如下：
[0127]
①
预紧过程：自动调整预紧截面上球头螺栓2的长度，获得球头螺栓2初始轴力；
[0128]
②
加载过程：球头螺栓2长度保持不变，当误用工况载荷作用下，球头螺栓2轴力不断升高；
[0129]
③
卸载过程：结构发生塑性变形抵抗变形能力降低，球头螺栓2轴力下降，得到球头螺栓2残余轴力；
[0130]
④
球头螺栓2轴力损失％＝初始轴力-残余轴力*100％/初始轴力。
[0131]
若用试验的方法确定双横臂式前转向节球头连接结构误用工况下轴力损失，本质上原理相同，具体方案如下：
[0132]
1)不进行上述步骤一、步骤二、步骤三、步骤四。
[0133]
2)将转向节、衬套、球头螺栓、螺母等样件按照实际位置进行装配。
[0134]
3)利用扭力扳手将球头螺栓紧固至初始扭矩。
[0135]
4)使用螺栓将四个转向节连接点固定至试验台上。
[0136]
5)利用液压线性作动器在球头点加载至误用载荷，随后载荷卸载至零。
[0137]
6)利用扭力扳手检查球头螺栓残余扭矩。
[0138]
7)根据球头螺栓轴力损失＝(初始扭矩-残余扭矩)*100％/初始扭矩来确定球头螺栓轴力损失情况。
[0139]
实施例二
[0140]
图6为本发明实施例二提供的一种确定前转向节球头连接结构轴力损失的装置的
结构示意图。本实施例可适用于确定前转向节球头连接结构轴力损失的情况，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，该装置可集成在任何提供用于确定前转向节球头连接结构轴力损失的功能的设备中。
[0141]
所述确定前转向节球头连接结构轴力损失的装置，包括：
[0142]
建立有限元模型模块，用于建立转向节1、球头螺栓2、衬套3和螺母4的有限元模型；
[0143]
定义连接关系模块，用于定义各零件的连接关系；
[0144]
计算球头螺栓2的初始轴力模块，用于计算球头螺栓2的初始轴力；
[0145]
定义非线性材料属性模块，用于定义各零件非线性材料属性；
[0146]
定义边界条件模块，用于定义边界条件；
[0147]
施加模块，用于施加步骤二的衬套3与转向节1过盈量；
[0148]
预紧模块，用于预紧过程通过预紧面施加步骤三的球头螺栓2的初始轴力；
[0149]
加载模块，用于加载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，在球头点7施加误用工况载荷；
[0150]
卸载模块，用于卸载过程采用fixed方法保持球头螺栓2长度不变，将误用载荷卸载至零；
[0151]
导入模块，用于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；
[0152]
输出模块，用于输出预紧过程、加载过程和卸载过程三个阶段球头螺栓2预紧面合力sof与时间曲线；
[0153]
计算模块，用于计算球头螺栓2轴力损失。
[0154]
上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
[0155]
实施例三
[0156]
图7为本发明实施例三中的一种计算机设备的结构示意图。图7示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性计算机设备12的框图。图7显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0157]
如图7所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
[0158]
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(isa)总线，微通道体系结构(mac)总线，增强型isa总线、视频电子标准协会(vesa)局域总线以及外围组件互连(pci)总线。
[0159]
计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
[0160]
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(ram)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不
可移动的、非易失性磁介质(图7未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图7中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如cd-rom,dvd-rom或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
[0161]
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
[0162]
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口22进行。另外，本实施例中的计算机设备12，显示器24不是作为独立个体存在，而是嵌入镜面中，在显示器24的显示面不予显示时，显示器24的显示面与镜面从视觉上融为一体。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0163]
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法。
[0164]
实施例四
[0165]
本发明实施例四提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本技术所有发明实施例提供的确定前转向节球头连接结构轴力损失的方法。
[0166]
可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0167]
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者
传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0168]
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0169]
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0170]
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。