轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂的分析與改進(jìn)

張吉宏

摘 要：應(yīng)用有限元法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。針對(duì)所受承載力不足問(wèn)題，文中提出新的改進(jìn)措施，將轉(zhuǎn)向節(jié)殼設(shè)計(jì)成具有轉(zhuǎn)向節(jié)臂功能的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力均勻，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，實(shí)際使用完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：有限元法；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋；轉(zhuǎn)向節(jié)臂

Abstract： The finite element method is used to analyze the steering knuckle arm， and the calculation result is not satisfied. In this paper， an improved steering knuckle shell instead of the steering knuckle arm. The results show that the new steering mechanism has the characteristics of simple structure， uniform stress distribution， low production cost and so on. It can meet the design requirements in practical application.

Keywords： finite element method； steering-drive axle； steering knuckle arm

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋有著轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)兩種功能。既具有一般驅(qū)動(dòng)橋的主減速器、差速器和半軸，也具有一般轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向節(jié)殼、主銷(xiāo)等。驅(qū)動(dòng)時(shí)，主減速器將動(dòng)力通過(guò)差速器總成、內(nèi)半軸、外半軸、輪轂，最后傳到輪胎，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向連桿推拉轉(zhuǎn)向節(jié)臂，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)殼相連，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)殼、轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸、輪轂和輪胎，完成轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋廣泛應(yīng)用到工程車(chē)、越野車(chē)和轎車(chē)等領(lǐng)域。

現(xiàn)設(shè)計(jì)一款轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，由于轉(zhuǎn)向節(jié)臂尺寸受空間所限，在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)承載能力不足的問(wèn)題，本文對(duì)此轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行了有限元分析，并提出了改進(jìn)措施。

1.幾何模型的建立

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用Solid Works軟件進(jìn)行建模效率高。再將轉(zhuǎn)向節(jié)臂模型導(dǎo)入Hyper Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格化分，最后通過(guò)ANSYS進(jìn)行計(jì)算。幾何模型如圖1所示。

2.有限元模型的建立

轉(zhuǎn)向節(jié)臂模型采用SOLID45單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。模型共4440個(gè)節(jié)點(diǎn)，3068個(gè)單元。建立剛性單元將受力點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂軸承孔內(nèi)節(jié)點(diǎn)相連。工況設(shè)定為：轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)殼為固定約束，沿實(shí)際受力方向加載4500N力。輸入材料密度ρ=7.8e-9t/mm3，彈性模量E=2.06e5MPa，泊松比μ=0.3。

3.求解結(jié)果及分析

將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行后處理。結(jié)果顯示應(yīng)力集中在A處如圖2所示，應(yīng)力值為637.559MPa。轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料選用合金鋼40Cr，屈服強(qiáng)度為σs=490MPa，顯然計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4.結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)多方案討論，最終將轉(zhuǎn)向節(jié)臂取消，轉(zhuǎn)向節(jié)殼側(cè)面設(shè)計(jì)成支耳結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)安裝關(guān)節(jié)軸承直接與轉(zhuǎn)向連桿相連，輪邊結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。為了驗(yàn)證新的轉(zhuǎn)向節(jié)殼強(qiáng)度，同理對(duì)它進(jìn)行了有限元分析。支耳部分采用六面體網(wǎng)格，殼體復(fù)雜部分采用四面體網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)過(guò)ANSYS計(jì)算表明，轉(zhuǎn)向節(jié)殼應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力發(fā)生在A處如圖4所示，應(yīng)力值為171.57MPa。轉(zhuǎn)向節(jié)殼選用可鍛鑄鐵KTH35-10，屈服變形0.2%時(shí)的強(qiáng)度為σ0.2=200MPa，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足承載要求。

結(jié)論

新的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋生產(chǎn)后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間和多種工況試驗(yàn)，新型轉(zhuǎn)向節(jié)殼在實(shí)際使用中表現(xiàn)良好如圖5所示。未出現(xiàn)斷裂、變形等失效問(wèn)題，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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