本發明涉及汽車球鉸結構設計技術領域，尤其是涉及一種基于cae的汽車球鉸結構設計方法。

背景技術：

汽車球鉸是一個內含大變形、復雜接觸的金屬塑料摩擦副裝配結構，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構設計與匹配的理論計算非常復雜，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聯，因此，汽車球鉸結構的性能設計是一個多影響因素、強變量相關性、且內含大變形、復雜接觸的裝配結構體設計。傳統的設計制造方式完全依靠經驗的積累來進行設計，這種開發模式下的汽車球鉸結構設計、性能匹配和樣件試制、調試等，不僅設計周期長，甚至可長達半年以上，而且成功率低，嚴重制約了汽車球鉸產品的持續開發。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：針對現有技術存在的問題，提供一種基于cae的汽車球鉸結構設計方法，有效地縮短汽車球鉸結構設計的開發周期，實現汽車球鉸的正向開發。

本發明要解決的技術問題采用以下技術方案來實現：一種基于cae的汽車球鉸結構設計方法，包括以下步驟：

s1，分析數據輸入cae，所述分析數據包括建模生成的汽車球鉸產品的模型數據、制造參數、設計參數以及力矩、軸向剛度、擺角、拉脫力的性能目標值；其中，所述制造參數包括鉚接模移動的行程參數，所述設計參數包括球鉸摩擦副的摩擦系數；

s2，通過cae進行汽車球鉸力矩的cae仿真分析、計算；如果滿足力矩的性能目標值，則進入s3；

s3，通過cae進行汽車球鉸軸向剛度、擺角的cae仿真分析、計算；如果滿足軸向剛度、擺角的性能目標值，則進入s4；

s4，通過cae進行汽車球鉸拉脫力的cae仿真分析、計算，并得到汽車球鉸設計數據。

優選地，所述的s3步驟中，先通過cae進行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計算，如果滿足軸向剛度的性能目標值，再通過cae進行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計算，如果滿足擺角的性能目標值，則進入s4。

優選地，所述的s3步驟中，先通過cae進行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計算，如果滿足擺角的性能目標值，再通過cae進行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計算，如果滿足軸向剛度的性能目標值，則進入s4。

優選地，所述的s1步驟中，是采用軸對稱方式建模生成的汽車球鉸產品的模型數據。

優選地，所述的汽車球鉸產品的模型數據是dxf格式、或者dwg格式、或者stp格式、或者igs格式的汽車球鉸產品模型數據。

優選地，所述的s4步驟中，如果滿足拉脫力的性能目標值，則自動生成分析報告，汽車球鉸設計數據凍結。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明通過將cae分析技術應用于汽車球鉸產品的結構設計中，利用cae技術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面的接觸壓強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，從而可以在設計初期即對球鉸的性能目標進行分析，并評估設計制造效果，充分預估開發風險，對于不滿足性能指標的因素進行動態調整，以實現精準設計，極大地提高了設計成功率，從而破解了汽車球鉸結構設計的難點，有效地縮短了開發周期，更關鍵的是可以由此掌握汽車球鉸設計的核心技術，實現球鉸的正向開發。

附圖說明

圖1為汽車球鉸的產品構造圖。

圖2為圖1所示的汽車球鉸產品的裝配鉚接過程圖。

圖3為本發明一種基于cae的汽車球鉸結構設計方法的流程圖。

圖中標記：1-球銷，2-球銷套，3-球銷座，4-鉚接模。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

汽車球鉸的基本結構如圖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。汽車球鉸功能的實現，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這三個零件組裝在一起；然后，用球銷1將球銷座3預壓至球銷套2底部，以消除空氣，保證定位準確；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，汽車球鉸的設計指標的形成是與其裝配過程相關聯。

對于上述結構的汽車球鉸產品，可以通過基于cae的汽車球鉸結構設計方法來進行仿真分析、設計。如圖3所示，具體而言，包括以下步驟：

第1步，分析數據輸入cae，所述的分析數據包括建模生成的汽車球鉸產品的模型數據、制造參數、設計參數以及力矩、軸向剛度、擺角、拉脫力的性能目標值。其中，所述的制造參數包括鉚接模移動的行程參數，所述的設計參數包括球鉸摩擦副的摩擦系數。

通常，上述的汽車球鉸產品的模型數據是采用軸對稱方式建模生成的汽車球鉸產品的模型數據，所述的汽車球鉸產品的模型數據可以是dxf格式、或者是dwg格式、或者是stp格式、或者是igs格式的汽車球鉸產品模型數據。

第2步，通過cae進行汽車球鉸力矩的cae仿真分析、計算。如果對力矩的計算結果能夠滿足力矩的性能目標值，則進入下一步，即第3步。

第3步，通過cae進行汽車球鉸軸向剛度、擺角的cae仿真分析、計算。

在該步驟中，可以先通過cae進行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計算，如果滿足軸向剛度的性能目標值，再通過cae進行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計算，如果滿足擺角的性能目標值，則進入第4步。也可以是，先通過cae進行汽車球鉸擺角的cae仿真分析、計算，如果滿足擺角的性能目標值，再通過cae進行汽車球鉸軸向剛度的cae仿真分析、計算，如果滿足軸向剛度的性能目標值，則進入第4步。

第4步，通過cae進行汽車球鉸拉脫力的cae仿真分析、計算，并得到汽車球鉸設計數據。通常，如果滿足拉脫力的性能目標值，則通過cae軟件自動生成分析報告，汽車球鉸設計數據凍結。

采用本發明進行汽車球鉸結構設計，需要將初步設計好的汽車球鉸模型導入cae軟件以進行鉚接裝配的分析。這一步的分析，首先需要根據力矩的性能目標值來動態調整鉚接高度，直至力矩達到設計要求。在進行鉚接裝配過程的仿真分析設計時，可以在這一步將輸入的分析模型在cae軟件里做網格處理、材料定義、分析參數設置，再提交運算，從而可以完全實現虛擬的數字化的裝配過程，較好地復現出汽車球鉸的實際鉚接裝配過程，通過鉚接高度動態可調，并且以力矩為最終控制參數，在力矩合格的情況下，評估其他設計指標是否滿足需求。

接下來，需要確認球銷座的工作狀態是否正常，例如有無擠出、有無缺料，等等。再就是對球銷座經過擠壓變形后的接觸狀態做評估，其接觸壓強的分布及大小是否合理，儲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發生變形，內外表面會貼緊金屬件形成滑動摩擦副。因此，如果出現任意一個部件設計不合理，就會導致這個滑動摩擦副的貼合不理想，從而產生局部或其他非正常的接觸，這樣在球鉸使用中會出現球銷座的早期磨損失效的問題。由此可見，鉚接后的接觸壓強大小和接觸壓強的分布非常重要，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技術來確認，傳統的設計方法是無法實現的。

另外，在球銷座被擠壓變形后，會有部分材料向口部流動，一旦流動的材料冒出球銷和球銷套之間，就會嚴重影響汽車球鉸的擺角，這個在初步設計時很難實現精確的量化，只有通過cae來驗算。一旦出現材料冒出現象后，就需要調整球銷座的長度。反之，若鉚接后，球銷座長度不夠，產生缺料現象，就會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，如果綜合指標滿足要求，則可以進入下一步的分析，即分別對軸向剛度、擺角和拉脫力進行判斷。具體地，

對于軸向剛度的cae分析，只需要在前面的模型基礎上給定載荷就可以了，可以分別對球銷進行軸向的向上和向下的加載，cae軟件會自動輸出球銷在受力后產生的位移，從而得到球銷的位移值，這個cae分析模擬了球鉸在實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。這個變形值不能超出規定值，否則會影響系統的動態響應能力。

對于擺角的cae分析，即對球銷的極限擺角進行確認，依據為汽車在轉向和跳動時可能產生的最大擺角，以避免在使用工況下出現金屬球銷和球銷套發生撞擊的現象。在給定輸入角度后，cae會自動輸出擺動后的圖片，并判斷有無干涉產生。需要注意的是，在具體設計中，嚴禁出現金屬發生接觸的現象。

對于拉脫力的cae分析，是指球銷在極端外力作用下被拉脫時產生的力。只要球銷不被拉脫，球鉸的基本功能就不會喪失，從而使汽車有繼續行駛的可能。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果導出，然后重新建模，將球銷組裝在一起后，固定住球銷套，給球銷一個軸向的強制位移，使球銷從球銷套中拉脫出來，然后輸出這個拉脫的力。這個拉脫力的大小，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聯在一起的。

上述的各步分析，均采用cae技術來實現，以仿真模擬汽車球鉸的鉚接，實現球鉸的虛擬裝配過程，完成性能計算的基礎模型；同時，分析包括力矩、剛度、擺角、拉脫力等球鉸的設計值是否達到目標值，如未達到，就需要調整模型數據。

綜上，本發明首先針對汽車球鉸的裝配過程進行cae分析，模擬球鉸的鉚接和力矩形成的過程；然后，對球鉸的剛度、擺角、拉脫力等性能指標進行cae分析，直至完成汽車球鉸的設計性能的評估。該仿真過程既包含了設計參數，又融合了制造參數，并對最終形成產品性能的相互關聯的影響要素可實現動態調整，較好地實現了汽車球鉸產品的性能目標，從而可以在早期評估球鉸的設計效果，充分預估開發風險，并進行多方案的設計優化，特別有利于實現球鉸結構設計方案的快速、精準的設計與優化，極大地提高了設計成功率，有效地縮短了開發周期，有利于實現汽車球鉸的正向開發。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，應當指出的是，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。