基于ANSYS Workbench 的齒輪齒條動力轉向器齒條剛度分析

宋德喜，馬志壘，張金孟

(豫北轉向系統股份有限公司，河南新鄉 453003)

基于ANSYS Workbench的齒輪齒條動力轉向器齒條剛度分析

宋德喜，馬志壘，張金孟

(豫北轉向系統股份有限公司，河南新鄉 453003)

在齒輪齒條動力轉向器的工作過程中，齒條是承載的關鍵部件，齒條的剛度是齒條設計的重要參數。對轉向器的齒條進行研究，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench 模擬齒條剛度實驗過程，得到齒條的剛度及應力分布情況，通過與剛度實驗對比，驗證了有限元模型的正確性。文中的研究對轉向器齒條剛度的設計、性能改進及質量評定有重要的參考價值。

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

汽車作為一種現代化的交通工具，和人們的生活息息相關，汽車的安全問題是當前汽車研究的主要課題[1]。在齒輪齒條動力轉向器所構成的轉向系統中，外界對車輪的作用力通過轉向節、轉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，會發生彎曲或永久變形。對于液壓助力式齒輪齒條動力轉向器來說，齒條的過度變形會導致油封的偏磨，引起液壓油泄漏，對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]。因此齒輪齒條動力轉向器齒條剛度是其基本的性能指標之一[3]。

有限元分析方法是一種低成本、高效率、預見性的設計方法。ANSYS Workbench 是新一代多物理場協同仿真環境，它針對航空、汽車、電子產品結構復雜，零部件眾多的技術特點，提供多種接觸算法，并具有計算速度快，幾何處理能力、網格劃分和后處理能力強等特點[4]。

文中借助有限元分析工具，對齒條剛度進行分析，并與實驗數據比對校驗計算的準確性。

1 有限元分析

文中根據齒條在剛度實驗過程中的受力特點，對齒條模型進行合理簡化。并將實驗條件轉化為有限元模型中的邊界條件進行分析。文中僅對編號為1號的齒條剛度的分析過程進行詳細介紹。

1.1 幾何模型建立

根據齒條零件的尺寸在SolidWorks 中建立齒條的三維模型，并進行適當簡化，如圖1所示。因為齒條的剛度實驗不是破壞性實驗，在實驗過程中，齒條材料處于彈性變形范圍之內，因此遠離齒形區的結構簡化不會對齒條剛度分析產生大的影響。該模型中對齒條活塞卡簧槽和端部鎖止槽進行簡化。

1.2 有限元模型建立

齒條在轉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，一個是由支撐套1構成，另一個由齒輪組件3和調整體4聯合構成。

在Workbench中，根據齒條上調整體和支承套的位置邊界，對齒條進行切分，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齒條進行網格劃分，單元大小按4 mm控制，在齒形支承區進行細化，單元大小按1 mm控制，共計節點211 990個，單元136 149個，劃分完成的網格模型如圖4所示。

齒條材料為S45SC，其材料參數列于表1[5]。

表1 齒條材料S45SC參數

1.3 邊界條件施加

齒條剛度的實驗要求如下：在轉向器處于中位固定狀態下，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,測量并記錄齒條端部在載荷方向的變形量。1號齒條的剛度實驗如圖5所示。

將剛度實驗的約束及加載狀態進行理論分析后，施加在齒條有限元模型上，如圖6所示。描述如下:

(1)對齒條支承套部位進行約束，限制其徑向自由度；

(2)對齒條調整體部位進行約束，限制其徑向自由度；

(3)對嚙合區兩個齒谷進行約束，限制其法向自由度；

(4)在球心位置施加遠端載荷1.96kN，方向垂直齒頂平面向下。

1.4 有限元結果計算

經過計算，得到齒條整體的剛度位移結果與等效應力分布，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，齒條應力由嚙合區向兩端擴散；且在齒條受壓一側應力為343.22 MPa,齒條受拉一側應力稍大，為525.29 MPa。此應力均小于材料的屈服極限，這也說明了齒條的剛度實驗為非破壞性實驗。

2 實驗結果對比分析

為了驗證有限元分析結果，對6種不同規格的轉向器齒條進行剛度分析及實驗，分析及實驗結果列于表2。

表2 齒條剛度有限元及實驗結果

3 結論

通過對齒輪齒條動力轉向器齒條進行剛度分析，并與實驗結果進行對比，現得出結論如下：

(1)齒條按文中描述載荷進行剛度實驗時，齒條材料處于彈性變形區，為非破壞性實驗，且齒條受拉側應力較大；

(2)運用Workbench 對齒條剛度進行分析，其結果與實驗測試值比對，準確度達到94%以上。

(3)運用有限元分析技術對齒條剛度進行分析，可以為齒條的剛度設計及改進提供理論依據。

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

【2】 張洪欣.汽車設計[M].2 版.北京:機械工業出版社,1995.

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

【4】 李兵.ANSYS Workbench 設計、仿真與優化[M].北京:清華大學出版社,2010.

【5】 中國第一汽車集團公司編寫組.機械工程材料手冊金屬材料[M].5 版.北京:機械工業出版社,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，高級工程師，主要從事汽車轉向器設計開發。E-mail:yb103sdx@126.com。