重卡轉向節(jié)推力軸承強度分析及優(yōu)化

張超，申曉康，郭建輝

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

重卡轉向節(jié)推力軸承強度分析及優(yōu)化

張超，申曉康，郭建輝

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

有限元分析和優(yōu)化設計是現代汽車零部件設計的兩種主要方法。文章將CAD軟件UG和有限元軟件ANSYS Workbench結合起來，完成從汽車車橋及推力軸承三維建模到有限元分析的整個過程，得出了轉向節(jié)推力軸承在超載工況下的應力分布規(guī)律。在此基礎上應用UG對汽車車橋及軸承、軸承座重新建模，而后應用ANSYS Workbench對汽車車橋及軸承、軸承座進行結構優(yōu)化設計，得到最優(yōu)方案。

有限元；轉向節(jié)推力軸承；結構優(yōu)化

CLC NO.:U463.6Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-126-03

引言

轉向節(jié)處推力軸承作為汽車的重要承載部件，通過轉向節(jié)與車橋相連，承受車橋傳來的全部垂直作用力載荷較大，因此其強度，抗沖擊性，可靠性對轉向輕便性可靠性都有很大的影響，因此對汽車轉向節(jié)推力軸承進行強度分析十分重要，本文研究的目的是通過對某重卡轉向節(jié)處推力軸承112908E進行建模和強度分析，掌握推力軸承的靜強度特性，找出設計中存在薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進意見。

1、重卡轉向節(jié)模型的建立

1.1 轉向節(jié)幾何模型的建立

圖1

圖2

圖3

由于轉向節(jié)處推力軸承為主要研究對象，因此對推力軸承進行精確建模，圖1為推力軸承112908E的UG精確模型，因為轉向橋結構對稱，為了加快運算速度對轉向橋做取其二分之一的處理如圖2所示，將推力軸承與轉向橋進行裝配如圖3所示。

1.2 轉向節(jié)有限元模型的建立

將UG模型導入到ANSYS Workbench中，修改模型、定義接觸、設置材料屬性、劃分網格、施加約束載荷，如圖4為導入模型，圖5為劃分網格、定義接觸后的模型。

該模型中共定義了54個接觸，滾子與軸承上下圈、主銷與車橋、軸承與軸承座等。

根據模型的實際情況主要研究對象為轉向節(jié)處推力軸承且軸承形狀規(guī)則因此可以采用掃略方法劃分網格尺寸為1mm，轉向節(jié)為四面體，車橋為六面體尺寸都為5mm，節(jié)點數為512714，網格數為220509。

圖4

圖5

正常行駛工況下轉向橋所受載荷為4.5噸，再傳至推力軸承，超載工況下推力軸承處會產生應力分布不均勻的現象對軸承造成破壞，為此只研究超載工況下的推力軸承的應力狀況。

根據中華人民共和國交通行業(yè)標準強度后備系數應該大于6，所以載荷取額定載荷的6倍，如圖6所示載荷為六倍載荷施加在B鋼板彈簧座、C、D轉向節(jié)處大小分別為132300N、66150N、66150N。

圖6

2、推力軸承強度分析

本文只研究推力軸承的強度狀況因此我們只要求輸出推力軸承的應力狀況。

如圖7所示為六倍載荷下推力軸承處的應力分布云圖，可見最大應力為1163.8MPa，最大應力出現在推力軸承靠近轉向節(jié)的滾子上側。

軸承材料為GCr15屈服強度極限為861.3MPa，六倍載荷工況下軸承的最大應力為1163.8MPa，在超載工況下會對軸承造成破壞。

圖7

圖8

經分析軸承之所以會產生應力分布不均勻的現象主要是因為車橋及轉向節(jié)受力后會發(fā)生變形這樣使得推力軸承受力不均勻靠近轉向節(jié)的一側應力較大而遠離轉向節(jié)的一側應力較小，如圖8所示。

3、轉向節(jié)推力軸承優(yōu)化設計

優(yōu)化設計是一種尋找確定最優(yōu)設計方案的技術，基本原理是通過構建優(yōu)化模型，運用各種優(yōu)化方法，通過在滿足設計要求條件下的迭代計算，求得目標函數的極值，得到最優(yōu)化設計方案。

轉向節(jié)處推力軸承之所以會在超載工況下會出現應力分布不均勻均布應力過大的現象，是因為在超載的工況下轉向節(jié)及汽車車橋變形較大使得軸承承載的載荷不均勻引起的，主要表現為靠近轉向節(jié)的一側應力較大，遠離轉向節(jié)的一側應力較小。優(yōu)化的主要目的在于尋找合適的方法使得在超載工況下軸承的應力分布均勻。

3.1 優(yōu)化方案

轉向節(jié)處受到空間的限制不宜更改軸承結構或使該處結構有較大變化，考慮到這些原因可以從更改軸承座結構入手。可以使軸承座有一定的角度θ，如圖9，裝配后使得遠離轉向節(jié)的一側產生預應力從而在超載工況下使得兩側的應力接近防止對軸承造成破壞。

將最大應力設為目標函數如圖11為等效應力隨軸承座傾斜角度的變化趨勢，當軸承座斜角為0.87度時軸承的最大應力為211.11MPa（如圖10），小于軸承材料的屈服極限，且應力分布均勻。

圖9

圖10

圖11

根據優(yōu)化結果可知當軸承座斜度的夾角為0.87度時能夠較好的解決超載工況下軸承應力分布不均勻的現象，改善軸承使用條件延長軸承的使用壽命，因此此優(yōu)化方案具有實際意義。

4、結論

本文對重卡轉向橋及轉向節(jié)處推力軸承有限元模型的建立、載荷及支撐的處理、有限元模型自動生成等方面進行了深入的研究，通過對軸承靜強度分析，找到了軸承應力最大的部分和容易受到破壞的位置。最后，提出了合適的改進措施，并再次對轉向節(jié)推力軸承進行了靜強度分析，并且得到了預期的結果，軸承應力分布不均勻的現象得到改善，應力分布趨于均勻化，沒有出現局部應力過大的現象。

隨著類似于ANSYS軟件的有限元技術設計，優(yōu)化，分析軟件的發(fā)展，它越來越被廣大的工程設計人員接受，優(yōu)化設計成為每一件商品設計的必然要求，在汽車行業(yè)中由于近幾年中國汽車行業(yè)的飛速發(fā)展CAE技術也得到長遠的發(fā)展，未來的汽車設計更加關心安全性，經濟性，優(yōu)化設計兼顧的因素也越來越多，約束條件和優(yōu)化目標越來越復雜，優(yōu)化結果也將滿足高性能的汽車要求。

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Heavy truck steering knuckle thrust bearing Strength Analysis and Optimization

Zhang Chao, Shen Xiaokang, Guo Jianhui
( Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

The finite element analysis and design optimization are two main methods of modern automotive components design. This article will UG CAD software and finite element software ANSYS Workbench combine complete modeling from the vehicle axle and thrust bearing to the three-dimensional finite element analysis of the entire process, obtained knuckle thrust bearing in the distribution of stress overload conditions. On this basis, the application UG car axles and bearings, bearing re-modeling, then apply ANSYS Workbench automobile axles and bearings, bearing structural optimization design, the optimal solution.

FEM; knuckle thrust bearing; structural optimization

U463.6

A

1671-7988 (2017)02-126-03

張超，男，（1989.10-），碩士在讀研究生，就讀于長安大學汽車學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.043