第４卷第４期 ２０１１年１Ｏ月 文章编号：（２０１１ １ ４－００４１－０４ 西安职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａ１ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａ１ Ｔｅｃｈｎｉｃａ１ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｖｏ１．４ Ｎｏ．４ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１ １ 基于ＣＡＥ技术对汽车四轮定位夹具设计的优化 孙永刚 （桂林航天工业高等专科学校汽车与动力工程系，广西桂林 ５４１００４） 摘要：由于四轮定位夹具厂家过于追求成本，开发出的新产品具有刚度差，强度不合格等缺陷，直 接影响到测量的精度。结合现代ＣＡＥ技术对原来的设计进行优化，在少增加材料的基础上来提高刚度 强度，并且在不浪费原始模具的前提下对四轮定位夹具进行结构优化，通过对比优化前和优化后有限元 分析，刚度强度明显提高． 关键词：四轮定位夹具；ＣＡＥ；结构优化 中图分类号：Ｕ４６７ 文献标识码：Ａ 随着我国经济水平的和科技水平的大幅度提升，国内汽车保有量与日俱增，汽车技术也随之提高， 应运而生的道路设施也在不断的改善，路面变得更加平坦更加开阔，汽车的行驶速度也越来越快．要保 证汽车直线行驶、转向轻便，具有良好的操纵稳定性、行驶安全性和经济性，并减少轮胎及相关部件的磨 损，汽车必须有良好的四轮定位参数［１］．在使用过程中不断的受路况，汽车本身等影响，四轮定位参数会 不断的改变，因此这就需要我们不定期对汽车进行四轮定位的调整．定位夹具也就要经常用到得工具． 四轮定位的定位精度一般要求如下： 前束： 外倾角： 主销后倾角： 士４‘ 士４‘ ±４‘ 这么高的精度对测量技术方法要求非常严格，这里只说明一点就是夹具的装夹带来的误差，当然四 轮定位有个钢圈补偿，会补偿因钢圈或装夹不正确而导致的测量误差［２’引．这个是在夹具的刚度保证的 前提下满足的． 通常四轮定位夹具一般做的笨重，严重浪费材料，于是一些厂家在不断地修改夹具的结构，以至于 产生到夹具的结构影响到了测量的精度问题．定位夹具设计不合理，刚度不够，强度较差的情况下，对钢 圈补偿误差方法的精度影响很大．本文是受一个厂家委托在一个失败的产品基础上做结构优化． １ 四轮定位夹具的原始设计分析 四轮定位的夹具中最耗费材料，受力的部位的是两端的爪部，所以我们优化的部分也是这个零件． １．１有限元模型的建立 对这个零件离散化处理，因为对称受力，所以用一个爪部分析．把ＣＡＤ模型代人有限元软件中，划 分网格，用的单元是四面体１Ｏ节点单元，也就是二次单元，这有利于提高分析的精度．最终划分为 １９ ３２５个单元３３ ９３７个节点．材料模型是铝合金的材料，弹性模量７．０×１０１０帕，泊松比为０．３６，各项 同性材料，材料模型建立．模拟实际操作过程中夹具体的受力，对支撑点添加Ｘ、Ｙ方向约束，对两个导 向孔内表面添加Ｙ、Ｚ方向约束，对中间受力的螺纹拉杆建立ＭＰＣ，简化为刚性受力的多点约束，用中 收稿日期：２０１１－０６－２５ 作者简介：孙：永刚（１９７６一），男，广西桂林人，桂林航天工业高等专科学校汽车与动力工程系讲师，硕士． ４２ 西安职业技术学院学报 央点来代替整个内孔螺纹面的受力，根据人体手的腕力转化为螺纹的拉力大概５００牛顿，这个数是个折 中的考虑．具体的有限元模型如图１所示．这个模型基本上为线性的，线弹性分析结果截取云图见图２、 图３． ｘ 图１有限元模型的建立 Ｆｅｂ－ｌ０ １０：５３：３７ ａｔｉｃ Ｓｕｂｃａｓｅ，Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｎｓｏｒ，，ｖｏｎ Ｍｉｓｔｓ，（ＮＯＮ—ＬＡＹＥＲＥＤ） ４ ４ ３ ３ ３ ３ ２ ２ ２ ｌ １ ｌ ９ ６ ３ ６ ５ ２ ９ ６ ３ Ｏ ７ ４ ｌ ８ ５ ２ ｌ １ Ｏ １ ９ ８ ７ ７ ６ ６ ５ ５ ４ ３ ３ ２ ８ ２ ６ ４ 蹦＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋如＋； ＋＋ Ｏ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ Ｍａｘ４． ５９ ＋００ ７ 国 Ｎｄ２１１０８ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ７ ７ ７ ７ ７ ７ ７ ７ ７ ７ ７ ７ ６ ６ ６ ３ Ｍｉｎ ６ １４＋００２Ｉ＠Ｎｄ ３０８０７ 一 Ｆｅｂ．１０ １０：５４：３７ ａｔｉｅ Ｓｕｂｃａｓｅ，Ｄｉｓｐｌａｃ － 。２ ７３ ００４● ．２ ５９ ００ ４■ － ．２ ４５ ００４ 鼢 一 ．．２ １６ ０ ２ ０２ ００４ ．－ ０４一 隅 ． ．１ ７４ ０ ０４１ ５９ ００４１ ４５ ００４１ ３１ ００４１ １７－００４１ ０２ ００４８ ８３ ００５． ．－ 黧■豳 图３位移云图 １．２有限元结果讨论 图２的应力云图可以看出来薄弱位置在两侧翼处，最大应力为４５Ｍｐａ，接近材料的疲劳强度．反复 使用很可能出现疲劳失效，强度需要改进．图３的位移云图反应了结构的刚度，最大的位移为 ０．２８７ｍｍ，位移在卡住轮辋的底脚处，直接结果导致卡脚和轮辋的角度不是垂直的，有较大的变形，这 个位移在生产过程中会出现大的累计误差，使两侧不对称的变形更大，而钢圈补偿是无法将这个误差补 偿的，这个对四轮定位精确的结果有很大的影响．这些结果直接指导产品的结构优化． ２ 四轮定位夹具的结构优化 这里的优化仅是在前面后处理分析的结果讨论上进行的有限优化． 孙永刚：基于ＣＡＥ技术对汽车四轮定位夹具设计的优化 ２．１结构优化 ４３ 鉴于厂家已经投了模具，为了使损失降低到最低点．考虑到模具的开模过程，对一些加强筋的改进 要适当保持模具的原始结构，只是在部分的简单修改即可．具体修改的方案如图４、５、６．图４中在侧翼 的根部通过ＣＡＤ的一个命令处理，增加了部分厚度，整体圆滑过度，不影响美观，质量增加不多．在横 筋的厚度适当加厚３ｍｍ，整体更加紧凑，受力统一．根据压铸加工的工艺，在拨模斜度上不做变化，也 就是增加厚度的斜面与原来的斜面是平行的．由于铝制材料的耐磨性不如铜合金，所以加大导柱的孔， 内部衬上铜套，铜套日后使用过程磨损可以更换，不至于更换整个零件，更节约（见图５）．在螺纹孔的边 界上的材料太薄如图６，这里由于受力比较明显，容易产生应力集中，虽然在分析时没有得出应力集中 的结论，这是我们简化模型的结果，是ＭＰＣ的简化的错误结果，我们要根据具体的情况具体的分析，所 以这里要延伸出来部分材料和两侧连接圆滑过渡．改进后测量质量比软来增加了６ 左右，而其模具的 修改较为简单．后面要进行进一步的ＣＡＥ验证． 图４ 图５ 图６ ２．２优化后ＣＡＥ验证 结构优化后对产品重新做ＣＡＥ分析，得出的结果云图见图７、图８．最大位移从０．２８７ｍｍ提高到 ０．１２ｍｍ，刚度提高了一倍多，应力从４５Ｍｐａ下降到３ＯＭｐａ，强度也有所增加，这些改变对夹具的使用 寿命、夹具的精度有很大的提高．用ＣＡＥ的结果来找到薄弱的环节，尤其在线性结构的优化时，可以针 对性的改变结构的一些关键尺寸，从而达到提高产品性能的目的． ３结论 一些厂家在对产品结构改进的同时还要考虑到产品的性能，不能一律的追求成本，在实现产品性能 的前提下来节约成本才是可行的．ＣＡＥ技术的推广是实现这个目标的很好的手段之一，通常的情况下 西安职业技术学院学报 ＭＳＣ．ＦＥＡ２００５ｒ２ １２－Ａｐｒ－１ｉ ＩＩ：１０：４３ Ｆｒｉｎｇｅ：Ｄｅｆａｕｌｔ，Ａ２：Ｓａｔｉｅ Ｓｕｂｃａｓｅ，ＳｔｒｅｓｓＴｅｎｓｏｒ，，ｖｏｎＭｉｓｅｓ，（ＮＯＮ．ＬＡＹＥＲＥＤ） 瓣 １．６１＋ ００＂ Ｍｉｎ１ ６ｌ＋００３国Ｎｄ ３１ｌ４３ 图７结构优化后的应力云图 Ｅ Ａ２００ ５ｒ２１２－ Ａｐｒ－ｌｌ１１：１３：１ ０ ｕ蜥＿峨…。 淄 ； 器 图８结构优化后的位移云图 器麓 建议厂家模具不要盲目的投产，要进行合理的论证和分析才是科学的生产． ［参考文献］ ． ［１－１杨玉林，程雨梅．汽车四轮定位测量方法的研究．内蒙古科技与经济［Ｊ］．２００９（２３）：５１—５３［２］ 程雨梅，杨玉林．四轮定位测量误差分析及新方法的研究．长春大学学报口］．２００９（１０）：４６—４８． Ｅ３］文东．四轮定位动态测量与静态测量的分析．汽车与驾驶维修：维修版［Ｊ］．２００９（１）：８０—８３． ［责任编辑Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｆｏｕｒ Ｗｈｅｅｌｓ 忆雪］ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｆｉｘｔｕｒｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｓｕｎ－－ｙｏｎｇｇａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４Ｃｈｉｎａ） ，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ｏｆ ｆｏｕｒ ｗｈｅｅｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｉｘｔｕｒｅ ａｒｅ ａｇｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｐｒｏｆｉｔｓ，ｔｈｅｉｒ ｎｅｗ Ｄｒｏｄｕｃｔｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐｏｏｒ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｕｎｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈａｖｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｃ－ ｃｕｒａｃｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ＣＡＥ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓＳ ｉｓ ａｎ－ ｈａｎｃｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｆｅｗｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｂｅｓｉｄｅｓ，ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅ ｏｆ ｎｏｔ ｗａｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｍｏｕ１ｄｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｅｔｕｒａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍａｄｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｒ ｗｈｅｅｌｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｆｉｘｔｕｒｅ，ＣＡＥ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａ１ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
