基于ANSYS的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)分析

唐尚斌 韋健毫

摘要：轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車的重要零件，若轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車行駛過程中出現(xiàn)破壞，則極有可能發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。本文以某車型的轉(zhuǎn)向節(jié)為例，利用ANSYS軟件主要研究了轉(zhuǎn)向節(jié)在緊急制動、轉(zhuǎn)向側(cè)滑和越過不平路面三種工況下的受力情況，得到應(yīng)力分布云圖來反映其強度特性，以此來確定該零件是否滿足設(shè)計要求，對轉(zhuǎn)向節(jié)這類零件的強度分析具有借鑒意義，也為轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計指明了方向。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié);ANSYS;應(yīng)力;強度

1研究背景

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要的一個零件。因為轉(zhuǎn)向節(jié)用來連接車身與車輪，承受簧上質(zhì)量，并保障轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能順利且穩(wěn)定地運行。在車輛實際行駛過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)的工作環(huán)境極其復(fù)雜。車輪的轉(zhuǎn)向是靠轉(zhuǎn)向節(jié)帶動的，因此轉(zhuǎn)向節(jié)需承受的載荷較多，例如來自路面的垂直反作用力，制動時的制動力矩，轉(zhuǎn)彎時的側(cè)向力等。如果轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車行駛過程中出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，極有可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生。轉(zhuǎn)向節(jié)的機械性能直接影響汽車的安全性能。因此，在設(shè)計時對轉(zhuǎn)向節(jié)的強度提出了更高的要求。目前對轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計還沒有一套完備的理論計算及校核公式，設(shè)計人員往往是憑借經(jīng)驗，所以傳統(tǒng)的設(shè)計流程是：設(shè)計→首件試制→實驗測試效果→不滿足設(shè)計要求→再設(shè)計→再制造→再實驗……在這樣的流程下，不僅成本過高，而且設(shè)計周期很長。使用ANSYS軟件先對轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型進(jìn)行有限元分析，使其強度滿足設(shè)計后，再首件試制和實驗測試可以有效減少零件開發(fā)周期和成本。

2轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向節(jié)是由支承軸頸、法蘭盤和叉架三部分組成。轉(zhuǎn)向節(jié)是通過主銷將車輪與汽車前軸連接在一起，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向節(jié)兩個圓孔是用來安裝主銷，銷孔處于同于中心線上，使轉(zhuǎn)向節(jié)通過主銷與前軸連接，并通過法蘭盤上的制動器安裝孔與制動系統(tǒng)相連。轉(zhuǎn)向節(jié)的上部通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向直拉桿連接，而下部則是通過梯形臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接，兩者均采用螺栓連接。

3 基本分析參數(shù)

轉(zhuǎn)向節(jié)主要承受來自于地面對車輪的支撐力、汽車行駛過程中復(fù)雜多變的沖擊力以及汽車制動時的制動力矩，此外汽車在轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向節(jié)還要承受轉(zhuǎn)向力以及與其他零部件相互作用產(chǎn)生的力矩。這些載荷主要分為整車前部懸架質(zhì)量產(chǎn)生的靜載和車輛行駛中產(chǎn)生的動載。本文選擇三種典型的危險工況對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行分析計算，使用的分析參數(shù)如表1。

4轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析

4.1建立有限元模型

首先建立轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型，以保留主要承受載荷的部分的原則對非主要部分進(jìn)行適當(dāng)簡化，如省略倒角。再導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置材料為40Cr，彈性模量211GPa，泊松比0.3，密度7.83×10^3kg/ m?，抗拉強度980 MPa，屈服極限785 MPa，許用應(yīng)力393 MPa。采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格的大小為14mm，從而建立了轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元模型，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)29369，單元數(shù)17336。

4.2強度分析

4.2.1緊急制動工況

緊急制動是車輛行駛過程中常遇到的情況，轉(zhuǎn)向節(jié)在該工況中承受垂直靜載和制動力。設(shè)前向行駛方向為X方向，車軸方向為Y，垂直于地面方向為Z，則轉(zhuǎn)向節(jié)大軸頸中心大孔處受到傳遞過來的垂直方向反力和縱向反力，并且對轉(zhuǎn)向節(jié)的上、下球銷進(jìn)行約束。另外車輪輪轂安裝于軸承，制動時附加轉(zhuǎn)矩由制動地板固定凸耳承受，轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸不受轉(zhuǎn)矩作用。

前軸載荷為：

G為汽車滿載時總質(zhì)量（N），為重力加速度，取=9.8N/kg，為地面附著系數(shù)，一般為0.7～1，本文取=0.8。

垂直方向反力：

縱向反力：

轉(zhuǎn)向節(jié)在緊急工況的應(yīng)力云圖見圖2。

4.2.2側(cè)滑工況

側(cè)滑是汽車轉(zhuǎn)向時容易出現(xiàn)的一種危險情況，特別是在路面濕滑的條件下，側(cè)滑現(xiàn)象更易出現(xiàn)。車輛在滑動過程中，轉(zhuǎn)向橋的左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪上會出現(xiàn)大小不同的側(cè)向力、。由于作用在轉(zhuǎn)向輪上的側(cè)向力所產(chǎn)生的力矩和地面對轉(zhuǎn)向輪的垂直反作用力所產(chǎn)生的力矩方向不同，從而導(dǎo)致左、右轉(zhuǎn)向節(jié)的軸頸處產(chǎn)生出現(xiàn)差別的彎矩。以汽車向左側(cè)滑為例， 汽車左轉(zhuǎn)向節(jié)所承受的側(cè)向力的力矩遠(yuǎn)大于右轉(zhuǎn)向節(jié)。

側(cè)向力為：

其中，為前軸軸荷（N），為側(cè)向滑移附著系數(shù)，一般取=1，因此，

垂直反作用力為：

由于是作用在前輪上，把力等效到轉(zhuǎn)向節(jié)的軸頸上時，附加上平移時轉(zhuǎn)向節(jié)承受的力矩：

轉(zhuǎn)向節(jié)在側(cè)滑工況的應(yīng)力云圖見圖4。

4.2.3越過不平路面

汽車在越過不平路面的過程中，來自地面的反作用力傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)，從而讓轉(zhuǎn)向節(jié)承受往復(fù)振動且?guī)в袥_擊性的動載荷，因此車輛運行在越過不平路面工況的動載系數(shù)最大。在該工況下，轉(zhuǎn)向輪受到垂直方向作用力，并以振動的形式上下運動產(chǎn)生沖擊。

承受沖擊載荷作用于轉(zhuǎn)向節(jié)的力為：

其中，k為動載系數(shù)，一般為1.75～2.5，本文取k=2.5。

轉(zhuǎn)向節(jié)在越過不平路面工況的應(yīng)力云圖見圖6。

計算結(jié)果分析：

1.40Cr屬于塑性材料，在實際工程問題計算并進(jìn)行強度分析時，通常把材料的屈服極限看作材料的極限應(yīng)力，所以材料40Cr的極限應(yīng)力為785 MPa。

2.通過比較上述三種工況的應(yīng)力云圖可以得知：轉(zhuǎn)向節(jié)在三種工況中應(yīng)力主要分布在轉(zhuǎn)向節(jié)的軸頸處，并且在（向左）側(cè)滑工況中所受到的應(yīng)力是該三種工況中最大的，是721.96MPa，但小于材料的極限應(yīng)力，因此該轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計符合強度要求。在實際工況中，車輪受到的沖擊載荷對轉(zhuǎn)向節(jié)的強度影響也比較大，而且應(yīng)力的變化比較復(fù)雜，因此，在設(shè)計轉(zhuǎn)向節(jié)時，需要添加過渡的倒圓角來防止轉(zhuǎn)向節(jié)一受到?jīng)_擊就容易開裂的現(xiàn)象發(fā)生。

結(jié)語：

汽車關(guān)鍵零部件的可靠性直接影響到整體的安全性能和使用壽命，從而影響使用者對汽車質(zhì)量的放心程度。本文雖然對某型汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了三種經(jīng)典工況的強度分析，為轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計或優(yōu)化提供了可靠參考，但是僅靠這些數(shù)據(jù)還不足以支撐轉(zhuǎn)向節(jié)的完整設(shè)計，還需對其進(jìn)行更多的研究，并促使我們在汽車零部件制造領(lǐng)域中繼續(xù)探索。

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