齐军， 盛云
(1.上海汇众汽车制造有限公司， 上海 200122；
2.上海汽车底盘电子化及轻量化工程技术研究中心， 上海 200122)
衬套和套筒靠过盈配合连接，且要求衬套能在任何使用工况下都始终保持在套筒内，否则不能实现传递载荷和隔绝振动的功能，并会导致异响或NVH和操控性能下降等问题。衬套始终保持在套筒内，转化到工程要求即为衬套的压出力须满足一定要求。[1]压入力的大小直接影响套筒和衬套的物理状态，从而影响压出力的大小。压入力过大，受限于压机能力，衬套可能压入不完全或衬套外壁塑性变形过大，影响衬套的刚度和阻尼特性；
压入力过小，衬套与套筒连接的可靠性减弱，使衬套吸收冲击、减小振动的效果变差，而且容易出现脱离失效。因此，衬套的压装虽然看起来是一个很简单的动作，但其可靠性对底盘系统乃至整车的各项性能均有重要影响。
衬套压装过程一般通过压力-位移曲线监控[2]。在某扭力梁后桥衬套装配过程中，出现压入过程压机负载较大、后半程曲线抖动严重的现象，且伴有“吱吱”异响，衬套无法压装到位。本文采用有限元法对此问题进行剖析，确定解决方案。
该扭力梁后桥衬套压装设备与布置见图1。压机采用卧式压机，左、右两侧衬套同时上料、同步压入。实测压入力-位移曲线见图2，在压入约50 mm后压入力出现剧烈抖动，此时压机已处于不稳定工作状态，接近压机的工作极限100 kN，该衬套仍无法完全压入。
图1 衬套压装设备与布置
图2 实测压入力-位移曲线
抽取同批次的20件套管与衬套进行尺寸检测并分析压入力。套管内径尺寸为79.51～79.70 mm，衬套外径尺寸为80.22～80.44 mm，换算过盈量为0.52～0.93 mm，而设计过盈量为0.3～0.7 mm，换算过盈量存在高于配合的情况。为分析过盈量及其他因素对压入力和压出力(统称压装力)的影响，结合有限元法，建立衬套压装过程仿真模型。
有限元法常用于分析过盈装配过程，计算可得到压入力-位移曲线，帮助确定合理的过盈压装方案[3-5]。
套筒设计内径80.0 mm，公差-0.4～-0.2 mm，衬套外壁设计外径80.2 mm，公差-0.1～0.1 mm，建立套筒和衬套三维数值模型，并在Altair HyperMesh软件中使用六面体单元划分网格，单元尺寸为2.0～3.0 mm，得到离散化网格模型，单元总数30 670个，节点总数41 867个，有限元模型见图3。
图3 衬套压装有限元模型
在衬套顶端和套筒底端的端面圆心处分别建立硬点并将其标记为硬点1和2；
压装过程中设置套筒始终保持静止，移动衬套完成压入或者压出动作。在套筒底端和衬套外壁顶端建立RBE2刚性连接，模拟载荷施加的连接关系。
衬套压装过程分为压入过程和压出过程。设置衬套端面硬点1(衬套上端面的圆心)沿衬套轴向的强制位移，位移值由衬套压装的行程和初始衬套与套筒的间隙决定，约束硬点1其余5个方向的自由度。套筒底端的硬点2边界条件为约束6个方向的自由度。压入、压出过程的区别仅在于压装强制位移值的不同。
套筒材料为钢20+N，其屈服强度为357 MPa，抗拉强度为507 MPa；
衬套外壁钢为DC04，其屈服强度为115 MPa，抗拉强度为263 MPa；
摩擦系数设为0.3[6]。对压装有限元模型进行仿真试算，发现在0.3 mm过盈量下最大压入力为29.6 kN，在0.7 mm过盈量下最大压入力为16.5 kN。这与实际不符，原因可能是：一方面，材料参数对仿真有重要影响，是导致仿真压入力过低的主要原因；
另一方面，当过盈量过大时，由于DC04钢材料屈服强度较低，塑性变形过大，压入力反而降低。
衬套外壁的加工工艺为冲压成型，考虑冲压硬化对材料性能的影响。对衬套外壁取样，实测得到其屈服强度为463 MPa，抗拉强度为497 MPa，其与钢DC04原材料的应力-应变曲线对比见图4。
图4 衬套外壁实物与原材料的应力-应变曲线对比
采用实物取样得到的材料参数，对0.30 mm过盈量的压装仿真模型进行计算，最大压入力为84.56 kN，与实际较为接近。
过盈量对压装有显著影响，仿真分析时可适当调宽设计过盈量范围，分析是否存在显著降低压入力的过盈量区间。套管通过焊接连接到扭力梁本体，焊接导致的套管变形也可能对压装有一定影响。摩擦系数对压装有较显著的影响，若通过涂油降低摩擦系数，也可能降低压入力。
3.1 过盈量的影响
设定过盈量为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.50和0.70 mm，分别建立对应的衬套三维有限元模型，摩擦系数设为0.3[6]，相关尺寸参数和压装力计算结果见表1，压装力与过盈量关系曲线见图5。
表 1 不同过盈量时压装力计算结果
图5 压装力与过盈量的关系曲线
由图5可以看出，当过盈量为0.3～0.7 mm时，压入力相差很小，只有过盈量低于0.30 mm时压入力才随着过盈量的递减而大幅降低。
3.2 焊接变形的影响
套管通过焊接连接到扭力梁后桥，测量实物发现，套管焊接前圆度较好，焊接后存在较明显的焊接变形，导入端呈椭圆状，径向直径相差约0.60 mm，且焊接后套管的平均值较焊接前略有缩小。
为分析焊接变形对衬套压装过程的影响，先对套管进行焊接变形仿真。在Sysweld中建立套管焊接变形有限元仿真模型，结果见图6。将焊接变形仿真得到的bdf网格文件导入HyperMesh软件中进行计算，套筒和与之焊接连接的结构仍作为壳单元处理，衬套采用六面体单元。调整套筒端面的节点，以保留套筒端面倒角特征，其余接触面的设置方法与常规未考虑焊接变形分析的压装仿真一致，可获得考虑焊接变形的衬套压装力仿真结果。焊接变形对压装力-位移曲线的影响见图7，曲线上半部分为压入力，下半部分为压出力，可见压入与压出过程形成一条闭合的曲线。
图6 套管焊接变形有限元仿真模型
图7 是否考虑焊接变形对压装力-位移曲线的影响
不考虑焊接变形时的最大压入力为84.5 kN、最大压出力为69.5 kN，考虑焊接变形的最大压入力为78.5 kN、最大压出力为67.5 kN：焊接变形使压入力降低6.0 kN(降幅7%)、压出力降低2.0 kN(降幅3%)，对压出力影响相对较小。
3.3 摩擦系数的影响
综合考虑过盈量与摩擦系数的影响，分别选择0.1和0.5 mm的过盈量，设置0.10、0.15、0.20、0.25和0.30的摩擦系数，分析压装力的变化，结果见表2和图8。
表 2 不同摩擦系数下压装力仿真结果
图8 压装力与摩擦系数的关系曲线
综合上述分析，拟定解决方案并制作样件：方案一，增大套筒内径、缩小衬套外壁外径，以降低总体过盈量；
方案二，在方案一的基础上叠加衬套外壁涂油，降低摩擦系数。在该批次试制样件中，套管内径平均尺寸为79.80 mm，衬套外径平均尺寸为80.21 mm，平均过盈量为0.41 mm，较问题样件的平均过盈量减小0.31 mm。压装试验压入力实测结果分别见表3和4。
表 3 方案一衬套样件压入力实测结果
表 4 方案二衬套样件压入力实测结果
从试验结果可以看出：方案一使平均压入力较初始状态降低约15 kN；
方案二中的涂油又使平均压入力继续下降约9 kN，此时压入力完全满足压机负荷要求，且压入后没有出现任何压装缺陷。因此，最终采用方案二进行工艺改进。
针对生产实践中衬套和套筒装配出现压入力过大甚至导致衬套无法完全压入的问题，理论联系实际，开展衬套压装过程模拟分析，解决压装力过大问题，主要结论如下：
(1) 材料参数对衬套压装结果影响极大，仿真前必须了解工艺过程，尽可能从实物上取样进行材料参数测试，以确保仿真模型的准确性。
(2) 过盈量0.3 mm是压装力变化的转折点，过盈量低于0.3 mm时过盈量对压装力有明显影响，而过盈量高于0.3 mm后压装力变化较为平缓。过盈量为衬套与套管尺寸的综合计算量，0.3 mm这一理论值与实际状态可能会有一定偏差。
(3) 摩擦系数与压装力成线性关系，在衬套外涂油降低摩擦系数是降低压装力的有效方法。
(4) 采用降低过盈量并涂油的方案，试验验证压入力可降低至50.5 kN，有效解决原衬套压入力过大的问题。
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