基于ANSYS的汽車轉向節分析

唐尚斌 韋健毫

摘要：轉向節是汽車的重要零件，若轉向節在汽車行駛過程中出現破壞，則極有可能發生嚴重的安全事故。本文以某車型的轉向節為例，利用ANSYS軟件主要研究了轉向節在緊急制動、轉向側滑和越過不平路面三種工況下的受力情況，得到應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計要求，對轉向節這類零件的強度分析具有借鑒意義，也為轉向節的優化設計指明了方向。

關鍵詞：轉向節;ANSYS;應力;強度

1研究背景

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

2轉向節的結構

轉向節是由支承軸頸、法蘭盤和叉架三部分組成。轉向節是通過主銷將車輪與汽車前軸連接在一起，從而實現轉向。轉向節兩個圓孔是用來安裝主銷，銷孔處于同于中心線上，使轉向節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相連。轉向節的上部通過轉向節臂與轉向直拉桿連接，而下部則是通過梯形臂與轉向橫拉桿連接，兩者均采用螺栓連接。

3 基本分析參數

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

4轉向節有限元分析

4.1建立有限元模型

首先建立轉向節的三維模型，以保留主要承受載荷的部分的原則對非主要部分進行適當簡化，如省略倒角。再導入ANSYS中，設置材料為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，許用應力393 MPa。采用四面體單元進行網格劃分，設定網格的大小為14mm，從而建立了轉向節的有限元模型，網格節點數29369，單元數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，轉向節在該工況中承受垂直靜載和制動力。設前向行駛方向為X方向，車軸方向為Y，垂直于地面方向為Z，則轉向節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，并且對轉向節的上、下球銷進行約束。另外車輪輪轂安裝于軸承，制動時附加轉矩由制動地板固定凸耳承受，轉向節軸頸不受轉矩作用。

前軸載荷為：

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

垂直方向反力：

縱向反力：

轉向節在緊急工況的應力云圖見圖2。

4.2.2側滑工況

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

側向力為：

其中，為前軸軸荷（N），為側向滑移附著系數，一般取=1，因此，

垂直反作用力為：

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

轉向節在側滑工況的應力云圖見圖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向節，從而讓轉向節承受往復振動且帶有沖擊性的動載荷，因此車輛運行在越過不平路面工況的動載系數最大。在該工況下，轉向輪受到垂直方向作用力，并以振動的形式上下運動產生沖擊。

承受沖擊載荷作用于轉向節的力為：

其中，k為動載系數，一般為1.75～2.5，本文取k=2.5。

轉向節在越過不平路面工況的應力云圖見圖6。

計算結果分析：

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

2.通過比較上述三種工況的應力云圖可以得知：轉向節在三種工況中應力主要分布在轉向節的軸頸處，并且在（向左）側滑工況中所受到的應力是該三種工況中最大的，是721.96MPa，但小于材料的極限應力，因此該轉向節的設計符合強度要求。在實際工況中，車輪受到的沖擊載荷對轉向節的強度影響也比較大，而且應力的變化比較復雜，因此，在設計轉向節時，需要添加過渡的倒圓角來防止轉向節一受到沖擊就容易開裂的現象發生。

結語：

汽車關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量的放心程度。本文雖然對某型汽車的轉向節進行了三種經典工況的強度分析，為轉向節的設計或優化提供了可靠參考，但是僅靠這些數據還不足以支撐轉向節的完整設計，還需對其進行更多的研究，并促使我們在汽車零部件制造領域中繼續探索。

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