基于ANSYS Workbench 的齒輪齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向器齒條剛度分析

宋德喜，馬志壘，張金孟

(豫北轉(zhuǎn)向系統(tǒng)股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453003)

基于ANSYS Workbench的齒輪齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向器齒條剛度分析

宋德喜，馬志壘，張金孟

(豫北轉(zhuǎn)向系統(tǒng)股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453003)

在齒輪齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的工作過(guò)程中，齒條是承載的關(guān)鍵部件，齒條的剛度是齒條設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。對(duì)轉(zhuǎn)向器的齒條進(jìn)行研究，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 模擬齒條剛度實(shí)驗(yàn)過(guò)程，得到齒條的剛度及應(yīng)力分布情況，通過(guò)與剛度實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。文中的研究對(duì)轉(zhuǎn)向器齒條剛度的設(shè)計(jì)、性能改進(jìn)及質(zhì)量評(píng)定有重要的參考價(jià)值。

有限元;齒條;剛度;Workbench

Abstract:In the working process of rack & pinion power steering gear,rack is one of the key components.The stiffness of rack is an important design parameter.Rack was studied and finite element analysis software ANSYS Workbench was used to simulate the rack stiffness experiment.The rack stiffness and equivalent stress were obtained.Experiments were made to verify the accuracy of the FEA results.The study provides reference for the rack design,performance improvement and quality assessment.

Keywords:FEA;Rack；Stiffness;Workbench

0 引言

汽車作為一種現(xiàn)代化的交通工具，和人們的生活息息相關(guān)，汽車的安全問(wèn)題是當(dāng)前汽車研究的主要課題[1]。在齒輪齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向器所構(gòu)成的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，外界對(duì)車輪的作用力通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿總成作用在齒條上。如果齒條剛度不足，在外力作用下，會(huì)發(fā)生彎曲或永久變形。對(duì)于液壓助力式齒輪齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向器來(lái)說(shuō)，齒條的過(guò)度變形會(huì)導(dǎo)致油封的偏磨，引起液壓油泄漏，對(duì)駕駛員的直觀影響就是助力不足或失去助力，直接影響駕駛安全[2]。因此齒輪齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向器齒條剛度是其基本的性能指標(biāo)之一[3]。

有限元分析方法是一種低成本、高效率、預(yù)見(jiàn)性的設(shè)計(jì)方法。ANSYS Workbench 是新一代多物理場(chǎng)協(xié)同仿真環(huán)境，它針對(duì)航空、汽車、電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多的技術(shù)特點(diǎn)，提供多種接觸算法，并具有計(jì)算速度快，幾何處理能力、網(wǎng)格劃分和后處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。

文中借助有限元分析工具，對(duì)齒條剛度進(jìn)行分析，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)校驗(yàn)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 有限元分析

文中根據(jù)齒條在剛度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的受力特點(diǎn)，對(duì)齒條模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。并將實(shí)驗(yàn)條件轉(zhuǎn)化為有限元模型中的邊界條件進(jìn)行分析。文中僅對(duì)編號(hào)為1號(hào)的齒條剛度的分析過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 幾何模型建立

根據(jù)齒條零件的尺寸在SolidWorks 中建立齒條的三維模型，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，如圖1所示。因?yàn)辇X條的剛度實(shí)驗(yàn)不是破壞性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，齒條材料處于彈性變形范圍之內(nèi)，因此遠(yuǎn)離齒形區(qū)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化不會(huì)對(duì)齒條剛度分析產(chǎn)生大的影響。該模型中對(duì)齒條活塞卡簧槽和端部鎖止槽進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.2 有限元模型建立

齒條在轉(zhuǎn)向器中的安裝情況如圖2所示。齒條在軸向方向存在兩處支撐，一個(gè)是由支撐套1構(gòu)成，另一個(gè)由齒輪組件3和調(diào)整體4聯(lián)合構(gòu)成。

在Workbench中，根據(jù)齒條上調(diào)整體和支承套的位置邊界，對(duì)齒條進(jìn)行切分，便于邊界條件的施加。切分成三部分后的齒條模型如圖3所示。

在Workbench中，以二階四面體單元對(duì)齒條進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小按4 mm控制，在齒形支承區(qū)進(jìn)行細(xì)化，單元大小按1 mm控制，共計(jì)節(jié)點(diǎn)211 990個(gè)，單元136 149個(gè)，劃分完成的網(wǎng)格模型如圖4所示。

齒條材料為S45SC，其材料參數(shù)列于表1[5]。

表1 齒條材料S45SC參數(shù)

1.3 邊界條件施加

齒條剛度的實(shí)驗(yàn)要求如下：在轉(zhuǎn)向器處于中位固定狀態(tài)下，在齒條有齒一端的球頭中心位置施加垂直于齒頂平面方向的載荷1.96kN,測(cè)量并記錄齒條端部在載荷方向的變形量。1號(hào)齒條的剛度實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

將剛度實(shí)驗(yàn)的約束及加載狀態(tài)進(jìn)行理論分析后，施加在齒條有限元模型上，如圖6所示。描述如下:

(1)對(duì)齒條支承套部位進(jìn)行約束，限制其徑向自由度；

(2)對(duì)齒條調(diào)整體部位進(jìn)行約束，限制其徑向自由度；

(3)對(duì)嚙合區(qū)兩個(gè)齒谷進(jìn)行約束，限制其法向自由度；

(4)在球心位置施加遠(yuǎn)端載荷1.96kN，方向垂直齒頂平面向下。

1.4 有限元結(jié)果計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到齒條整體的剛度位移結(jié)果與等效應(yīng)力分布，如圖7—9所示。

由圖7可得出:在載荷作用下，齒條左部區(qū)域變形量很小，從嚙合中心向右，變形量逐漸增大，在齒條端部達(dá)到最大值，為0.81 mm。

由圖8、圖9可看出:在載荷作用下，齒條應(yīng)力由嚙合區(qū)向兩端擴(kuò)散；且在齒條受壓一側(cè)應(yīng)力為343.22 MPa,齒條受拉一側(cè)應(yīng)力稍大，為525.29 MPa。此應(yīng)力均小于材料的屈服極限，這也說(shuō)明了齒條的剛度實(shí)驗(yàn)為非破壞性實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證有限元分析結(jié)果，對(duì)6種不同規(guī)格的轉(zhuǎn)向器齒條進(jìn)行剛度分析及實(shí)驗(yàn)，分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 齒條剛度有限元及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)齒輪齒條動(dòng)力轉(zhuǎn)向器齒條進(jìn)行剛度分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)得出結(jié)論如下：

(1)齒條按文中描述載荷進(jìn)行剛度實(shí)驗(yàn)時(shí)，齒條材料處于彈性變形區(qū)，為非破壞性實(shí)驗(yàn)，且齒條受拉側(cè)應(yīng)力較大；

(2)運(yùn)用Workbench 對(duì)齒條剛度進(jìn)行分析，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值比對(duì)，準(zhǔn)確度達(dá)到94%以上。

(3)運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)齒條剛度進(jìn)行分析，可以為齒條的剛度設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)。

【1】 蔣建平,蔣晶.淺析汽車安全新技術(shù)與道路交通安全[J].綠色科技,2013(11):213-215.

【2】 張洪欣.汽車設(shè)計(jì)[M].2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

【3】 禹紅斌.轉(zhuǎn)向器齒條通氣孔截面應(yīng)力的分析[J].裝備制造技術(shù)，2007(10):12-13.

【4】 李兵.ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

【5】 中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司編寫(xiě)組.機(jī)械工程材料手冊(cè)金屬材料[M].5 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

RackStiffnessAnalysisofRack&PinionPowerSteeringGearBasedonANSYSWorkbench

SONG Dexi，MA Zhilei,ZHANG Jinmeng

(Yubei Steering System Co.,Ltd.,Xinxiang Henan 453003,China)

2014-08-27

宋德喜(1966—)，男，高級(jí)工程師，主要從事汽車轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。E-mail:yb103sdx@126.com。