唐尚斌 韋健毫

摘要：轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)的重要零件，若轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車(chē)行駛過(guò)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(chē)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(dòng)、轉(zhuǎn)向側(cè)滑和越過(guò)不平路面三種工況下的受力情況，得到應(yīng)力分布云圖來(lái)反映其強(qiáng)度特性，以此來(lái)確定該零件是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)這類(lèi)零件的強(qiáng)度分析具有借鑒意義，也為轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)指明了方向。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié);ANSYS;應(yīng)力;強(qiáng)度

1研究背景

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要的一個(gè)零件。因?yàn)檗D(zhuǎn)向節(jié)用來(lái)連接車(chē)身與車(chē)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(yùn)行。在車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中，轉(zhuǎn)向節(jié)的工作環(huán)境極其復(fù)雜。車(chē)輪的轉(zhuǎn)向是靠轉(zhuǎn)向節(jié)帶動(dòng)的，因此轉(zhuǎn)向節(jié)需承受的載荷較多，例如來(lái)自路面的垂直反作用力，制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)向力等。如果轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車(chē)行駛過(guò)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(jī)械性能直接影響汽車(chē)的安全性能。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度提出了更高的要求。目前對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)還沒(méi)有一套完備的理論計(jì)算及校核公式，設(shè)計(jì)人員往往是憑借經(jīng)驗(yàn)，所以傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是：設(shè)計(jì)→首件試制→實(shí)驗(yàn)測(cè)試效果→不滿足設(shè)計(jì)要求→再設(shè)計(jì)→再制造→再實(shí)驗(yàn)……在這樣的流程下，不僅成本過(guò)高，而且設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng)。使用ANSYS軟件先對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的三維模型進(jìn)行有限元分析，使其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)后，再首件試制和實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以有效減少零件開(kāi)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(pán)和叉架三部分組成。轉(zhuǎn)向節(jié)是通過(guò)主銷(xiāo)將車(chē)輪與汽車(chē)前軸連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向節(jié)兩個(gè)圓孔是用來(lái)安裝主銷(xiāo)，銷(xiāo)孔處于同于中心線上，使轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)主銷(xiāo)與前軸連接，并通過(guò)法蘭盤(pán)上的制動(dòng)器安裝孔與制動(dòng)系統(tǒng)相連。轉(zhuǎn)向節(jié)的上部通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向直拉桿連接，而下部則是通過(guò)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(lái)自于地面對(duì)車(chē)輪的支撐力、汽車(chē)行駛過(guò)程中復(fù)雜多變的沖擊力以及汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩，此外汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)，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(chē)前部懸架質(zhì)量產(chǎn)生的靜載和車(chē)輛行駛中產(chǎn)生的動(dòng)載。本文選擇三種典型的危險(xiǎn)工況對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行分析計(jì)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(duì)非主要部分進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)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(qiáng)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(diǎn)數(shù)29369，單元數(shù)17336。

4.2強(qiáng)度分析

4.2.1緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)是車(chē)輛行駛過(guò)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(dòng)力。設(shè)前向行駛方向?yàn)閄方向，車(chē)軸方向?yàn)閅，垂直于地面方向?yàn)閆，則轉(zhuǎn)向節(jié)大軸頸中心大孔處受到傳遞過(guò)來(lái)的垂直方向反力和縱向反力，并且對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的上、下球銷(xiāo)進(jìn)行約束。另外車(chē)輪輪轂安裝于軸承，制動(dòng)時(shí)附加轉(zhuǎn)矩由制動(dòng)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(chē)滿載時(shí)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(jiàn)圖2。

4.2.2側(cè)滑工況

側(cè)滑是汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)容易出現(xiàn)的一種危險(xiǎn)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(chē)輛在滑動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向橋的左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪上會(huì)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(duì)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(chē)向左側(cè)滑為例， 汽車(chē)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(shí)，附加上平移時(shí)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(jiàn)圖4。

4.2.3越過(guò)不平路面

汽車(chē)在越過(guò)不平路面的過(guò)程中，來(lái)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(dòng)且?guī)в袥_擊性的動(dòng)載荷，因此車(chē)輛運(yùn)行在越過(guò)不平路面工況的動(dòng)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(dòng)的形式上下運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(guò)不平路面工況的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。

計(jì)算結(jié)果分析：

1.40Cr屬于塑性材料，在實(shí)際工程問(wèn)題計(jì)算并進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，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(guò)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(jì)符合強(qiáng)度要求。在實(shí)際工況中，車(chē)輪受到的沖擊載荷對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)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(jì)轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)，需要添加過(guò)渡的倒圓角來(lái)防止轉(zhuǎn)向節(jié)一受到?jīng)_擊就容易開(kāi)裂的現(xiàn)象發(fā)生。

結(jié)語(yǔ)：

汽車(chē)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(duì)汽車(chē)質(zhì)量的放心程度。本文雖然對(duì)某型汽車(chē)的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了三種經(jīng)典工況的強(qiáng)度分析，為轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)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(jì)，還需對(duì)其進(jìn)行更多的研究，并促使我們?cè)谄?chē)零部件制造領(lǐng)域中繼續(xù)探索。

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