本發(fā)明涉及汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于cae的汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

汽車球鉸是一個(gè)內(nèi)含大變形、復(fù)雜接觸的金屬塑料摩擦副裝配結(jié)構(gòu)，通常，其中的球銷、球銷套均為金屬件，而球銷座為高分子材料。由于這種汽車球鉸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與匹配的理論計(jì)算非常復(fù)雜，影響并決定球鉸最終性能的因素很多，且各因素之間又相互關(guān)聯(lián)，因此，汽車球鉸結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)是一個(gè)多影響因素、強(qiáng)變量相關(guān)性、且內(nèi)含大變形、復(fù)雜接觸的裝配結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方式完全依靠經(jīng)驗(yàn)的積累來進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種開發(fā)模式下的汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能匹配和樣件試制、調(diào)試等，不僅設(shè)計(jì)周期長，甚至可長達(dá)半年以上，而且成功率低，嚴(yán)重制約了汽車球鉸產(chǎn)品的持續(xù)開發(fā)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于cae的汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，有效地縮短汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)汽車球鉸的正向開發(fā)。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于cae的汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

s1，分析數(shù)據(jù)輸入cae，所述分析數(shù)據(jù)包括建模生成的汽車球鉸產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)、制造參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)以及力矩、軸向剛度、擺角、拉脫力的性能目標(biāo)值；其中，所述制造參數(shù)包括鉚接模移動(dòng)的行程參數(shù)，所述設(shè)計(jì)參數(shù)包括球鉸摩擦副的摩擦系數(shù)；

s2，通過cae進(jìn)行汽車球鉸力矩的cae仿真分析、計(jì)算；如果滿足力矩的性能目標(biāo)值，則進(jìn)入s3；

s3，通過cae進(jìn)行汽車球鉸軸向剛度、擺角的cae仿真分析、計(jì)算；如果滿足軸向剛度、擺角的性能目標(biāo)值，則進(jìn)入s4；

s4，通過cae進(jìn)行汽車球鉸拉脫力的cae仿真分析、計(jì)算，并得到汽車球鉸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述的s3步驟中，先通過cae進(jìn)行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足軸向剛度的性能目標(biāo)值，再通過cae進(jìn)行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足擺角的性能目標(biāo)值，則進(jìn)入s4。

優(yōu)選地，所述的s3步驟中，先通過cae進(jìn)行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足擺角的性能目標(biāo)值，再通過cae進(jìn)行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足軸向剛度的性能目標(biāo)值，則進(jìn)入s4。

優(yōu)選地，所述的s1步驟中，是采用軸對(duì)稱方式建模生成的汽車球鉸產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述的汽車球鉸產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)是dxf格式、或者dwg格式、或者stp格式、或者igs格式的汽車球鉸產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述的s4步驟中，如果滿足拉脫力的性能目標(biāo)值，則自動(dòng)生成分析報(bào)告，汽車球鉸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)凍結(jié)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過將cae分析技術(shù)應(yīng)用于汽車球鉸產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用cae技術(shù)來研究球鉸多組件非線性大變形鉚接過程、研究鉚接成形后的金屬塑料摩擦副滑動(dòng)面的接觸壓強(qiáng)分布變化以及汽車球鉸總成的力矩、軸向剛度、擺角、拉脫力等重要性能指標(biāo)，從而可以在設(shè)計(jì)初期即對(duì)球鉸的性能目標(biāo)進(jìn)行分析，并評(píng)估設(shè)計(jì)制造效果，充分預(yù)估開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于不滿足性能指標(biāo)的因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，極大地提高了設(shè)計(jì)成功率，從而破解了汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，有效地縮短了開發(fā)周期，更關(guān)鍵的是可以由此掌握汽車球鉸設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)球鉸的正向開發(fā)。

附圖說明

圖1為汽車球鉸的產(chǎn)品構(gòu)造圖。

圖2為圖1所示的汽車球鉸產(chǎn)品的裝配鉚接過程圖。

圖3為本發(fā)明一種基于cae的汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的流程圖。

圖中標(biāo)記：1-球銷，2-球銷套，3-球銷座，4-鉚接模。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

汽車球鉸的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括球銷1、球銷套2和球銷座3，其中，所述的球銷1、球銷套2均為金屬件，球銷座3為高分子材料。汽車球鉸功能的實(shí)現(xiàn)，則需要將球銷套2鉚接變形來完成，其鉚接過程如圖2所示，首先，將球銷1、球銷套2、球銷座3這三個(gè)零件組裝在一起；然后，用球銷1將球銷座3預(yù)壓至球銷套2底部，以消除空氣，保證定位準(zhǔn)確；最后，鉚接模4下行，直至球銷套2變形并鎖緊球銷1和球銷座3。由此可見，汽車球鉸的設(shè)計(jì)指標(biāo)的形成是與其裝配過程相關(guān)聯(lián)。

對(duì)于上述結(jié)構(gòu)的汽車球鉸產(chǎn)品，可以通過基于cae的汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行仿真分析、設(shè)計(jì)。如圖3所示，具體而言，包括以下步驟：

第1步，分析數(shù)據(jù)輸入cae，所述的分析數(shù)據(jù)包括建模生成的汽車球鉸產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)、制造參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)以及力矩、軸向剛度、擺角、拉脫力的性能目標(biāo)值。其中，所述的制造參數(shù)包括鉚接模移動(dòng)的行程參數(shù)，所述的設(shè)計(jì)參數(shù)包括球鉸摩擦副的摩擦系數(shù)。

通常，上述的汽車球鉸產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)是采用軸對(duì)稱方式建模生成的汽車球鉸產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)，所述的汽車球鉸產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)可以是dxf格式、或者是dwg格式、或者是stp格式、或者是igs格式的汽車球鉸產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)。

第2步，通過cae進(jìn)行汽車球鉸力矩的cae仿真分析、計(jì)算。如果對(duì)力矩的計(jì)算結(jié)果能夠滿足力矩的性能目標(biāo)值，則進(jìn)入下一步，即第3步。

第3步，通過cae進(jìn)行汽車球鉸軸向剛度、擺角的cae仿真分析、計(jì)算。

在該步驟中，可以先通過cae進(jìn)行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足軸向剛度的性能目標(biāo)值，再通過cae進(jìn)行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足擺角的性能目標(biāo)值，則進(jìn)入第4步。也可以是，先通過cae進(jìn)行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足擺角的性能目標(biāo)值，再通過cae進(jìn)行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計(jì)算，如果滿足軸向剛度的性能目標(biāo)值，則進(jìn)入第4步。

第4步，通過cae進(jìn)行汽車球鉸拉脫力的cae仿真分析、計(jì)算，并得到汽車球鉸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。通常，如果滿足拉脫力的性能目標(biāo)值，則通過cae軟件自動(dòng)生成分析報(bào)告，汽車球鉸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)凍結(jié)。

采用本發(fā)明進(jìn)行汽車球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要將初步設(shè)計(jì)好的汽車球鉸模型導(dǎo)入cae軟件以進(jìn)行鉚接裝配的分析。這一步的分析，首先需要根據(jù)力矩的性能目標(biāo)值來動(dòng)態(tài)調(diào)整鉚接高度，直至力矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行鉚接裝配過程的仿真分析設(shè)計(jì)時(shí)，可以在這一步將輸入的分析模型在cae軟件里做網(wǎng)格處理、材料定義、分析參數(shù)設(shè)置，再提交運(yùn)算，從而可以完全實(shí)現(xiàn)虛擬的數(shù)字化的裝配過程，較好地復(fù)現(xiàn)出汽車球鉸的實(shí)際鉚接裝配過程，通過鉚接高度動(dòng)態(tài)可調(diào)，并且以力矩為最終控制參數(shù)，在力矩合格的情況下，評(píng)估其他設(shè)計(jì)指標(biāo)是否滿足需求。

接下來，需要確認(rèn)球銷座的工作狀態(tài)是否正常，例如有無擠出、有無缺料，等等。再就是對(duì)球銷座經(jīng)過擠壓變形后的接觸狀態(tài)做評(píng)估，其接觸壓強(qiáng)的分布及大小是否合理，儲(chǔ)油槽的分布是否合理。

考慮到高分子材料的球銷座在球銷套變形的過程中也會(huì)發(fā)生變形，內(nèi)外表面會(huì)貼緊金屬件形成滑動(dòng)摩擦副。因此，如果出現(xiàn)任意一個(gè)部件設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)導(dǎo)致這個(gè)滑動(dòng)摩擦副的貼合不理想，從而產(chǎn)生局部或其他非正常的接觸，這樣在球鉸使用中會(huì)出現(xiàn)球銷座的早期磨損失效的問題。由此可見，鉚接后的接觸壓強(qiáng)大小和接觸壓強(qiáng)的分布非常重要，包括潤滑油槽的分布位置是否合理等等，這些都只能通過cae技術(shù)來確認(rèn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是無法實(shí)現(xiàn)的。

另外，在球銷座被擠壓變形后，會(huì)有部分材料向口部流動(dòng)，一旦流動(dòng)的材料冒出球銷和球銷套之間，就會(huì)嚴(yán)重影響汽車球鉸的擺角，這個(gè)在初步設(shè)計(jì)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)精確的量化，只有通過cae來驗(yàn)算。一旦出現(xiàn)材料冒出現(xiàn)象后，就需要調(diào)整球銷座的長度。反之，若鉚接后，球銷座長度不夠，產(chǎn)生缺料現(xiàn)象，就會(huì)減少球銷座的承壓面積，從而降低球銷座的承載能力，這樣就需要增加球銷座的長度。

在鉚接步分析完成后，如果綜合指標(biāo)滿足要求，則可以進(jìn)入下一步的分析，即分別對(duì)軸向剛度、擺角和拉脫力進(jìn)行判斷。具體地，

對(duì)于軸向剛度的cae分析，只需要在前面的模型基礎(chǔ)上給定載荷就可以了，可以分別對(duì)球銷進(jìn)行軸向的向上和向下的加載，cae軟件會(huì)自動(dòng)輸出球銷在受力后產(chǎn)生的位移，從而得到球銷的位移值，這個(gè)cae分析模擬了球鉸在實(shí)際使用工況下的承載能力，主要判斷球鉸的剛性能否滿足承載需求。這個(gè)變形值不能超出規(guī)定值，否則會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

對(duì)于擺角的cae分析，即對(duì)球銷的極限擺角進(jìn)行確認(rèn)，依據(jù)為汽車在轉(zhuǎn)向和跳動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生的最大擺角，以避免在使用工況下出現(xiàn)金屬球銷和球銷套發(fā)生撞擊的現(xiàn)象。在給定輸入角度后，cae會(huì)自動(dòng)輸出擺動(dòng)后的圖片，并判斷有無干涉產(chǎn)生。需要注意的是，在具體設(shè)計(jì)中，嚴(yán)禁出現(xiàn)金屬發(fā)生接觸的現(xiàn)象。

對(duì)于拉脫力的cae分析，是指球銷在極端外力作用下被拉脫時(shí)產(chǎn)生的力。只要球銷不被拉脫，球鉸的基本功能就不會(huì)喪失，從而使汽車有繼續(xù)行駛的可能。在該步中，可以將前面分析中的變形后的球銷套和球銷座的結(jié)果導(dǎo)出，然后重新建模，將球銷組裝在一起后，固定住球銷套，給球銷一個(gè)軸向的強(qiáng)制位移，使球銷從球銷套中拉脫出來，然后輸出這個(gè)拉脫的力。這個(gè)拉脫力的大小，取決于球銷套的材料、厚度以及鉚接變形后的收口尺寸，而收口尺寸又是和上一步的擺角關(guān)聯(lián)在一起的。

上述的各步分析，均采用cae技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，以仿真模擬汽車球鉸的鉚接，實(shí)現(xiàn)球鉸的虛擬裝配過程，完成性能計(jì)算的基礎(chǔ)模型；同時(shí)，分析包括力矩、剛度、擺角、拉脫力等球鉸的設(shè)計(jì)值是否達(dá)到目標(biāo)值，如未達(dá)到，就需要調(diào)整模型數(shù)據(jù)。

綜上，本發(fā)明首先針對(duì)汽車球鉸的裝配過程進(jìn)行cae分析，模擬球鉸的鉚接和力矩形成的過程；然后，對(duì)球鉸的剛度、擺角、拉脫力等性能指標(biāo)進(jìn)行cae分析，直至完成汽車球鉸的設(shè)計(jì)性能的評(píng)估。該仿真過程既包含了設(shè)計(jì)參數(shù)，又融合了制造參數(shù)，并對(duì)最終形成產(chǎn)品性能的相互關(guān)聯(lián)的影響要素可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，較好地實(shí)現(xiàn)了汽車球鉸產(chǎn)品的性能目標(biāo)，從而可以在早期評(píng)估球鉸的設(shè)計(jì)效果，充分預(yù)估開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行多方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化，特別有利于實(shí)現(xiàn)球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的快速、精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，極大地提高了設(shè)計(jì)成功率，有效地縮短了開發(fā)周期，有利于實(shí)現(xiàn)汽車球鉸的正向開發(fā)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出的是，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。