基于ANSYS的轉向節強度分析

楊國勝

（紹興市公安局交警支隊，浙江 紹興 312000）

基于ANSYS的轉向節強度分析

楊國勝

（紹興市公安局交警支隊，浙江 紹興 312000）

針對某自卸車轉向節結構早期失效，存在斷裂可能性等問題，參照車輛行駛狀況和汽車設計手冊，詳細分析轉向節在緊急制動、側滑(向左側滑)和越過不平路面3種工況下的受力情況。運用UG軟件和ANSYS軟件，建立了3工況轉向節有限元模型，分析3種工況下的轉向節應力應變分布規律。通過尋找最大應力處和最大位移處，找出了轉向節在各種工況下易損壞部位，并探討了其易損壞的具體原因。研究結果表明，該轉向節最大應力小于材料許用應力，符合汽車設計手冊中的安全條件，為轉向節的設計提供理論指導。

轉向節；有限元；ANSYS

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-46-03

引言

轉向節是車輛轉向系統中重要的零部件之一，實際工作場合比較復雜多樣，工作是否可靠、是否安全將直接危脅著人自身的安全。實際工況下，轉向節不僅承受著轉向輪自身載荷和路面不平整所產生的沖擊力，而且還要傳遞著來自轉向器所產生的轉向力來實現對汽車行駛方向的改變。在轉向節沖擊性方面、靜強度方面以及可靠性方面都必須滿足很高的實際要求。因而，其內部應力應變規律的分析是轉向節設計過程中必不可少的環節之一[1]。

根據實際運行情況，斷裂部位常常發生在輪轂軸承軸頸圓柱面與圓錐面的交匯處，導致轉向節結構早期失效。本次研究主要是針對以上問題提出的。轉向節的實物模型如圖1所示。

1、轉向節受力分析

根據汽車設計手冊[2]，分析轉向節在緊急制動、側滑(向左側滑)和越過不平路面3種工況下的受力情況，表1為某自卸車參數表。

表1 某自卸車參數如下表所示

1.1 緊急制動工況

緊急制動工況下, 轉向節大、小軸頸處受到輪胎經軸承傳遞過來的力，將其分解為法向反力FZ1和切向反力FX1。由于車輪輪轂安裝在軸承上, 因此制動時轉向節大小軸頸不受扭矩作用。此時轉向節的受力如圖2所示。

此時，前軸載荷為：(所有公式用公式編輯器進行了修改)

1.2 側滑工況(向左側滑時)

側滑工況下，由于作用在兩前輪上的側向力FY1、FY2不相等，再加上側向力和垂直反作用力所產生的力矩方向也不同，致使作用在左、右轉向節軸頸上的彎矩也不相同。假定該礦用車出現向左側滑, 此時左轉向節所承受的彎矩M1遠遠大于右轉向節所承受的彎矩M2[3]。因此, 我們以承受較大彎矩的左轉向節為研究對象。則左轉向節的前軸載荷為：

側向反力為：

由于FY1是作用在車輪上, 在將其平移到轉向節軸頸處時, 必須加上由FY1對車輪所產生的力矩：

此時受力情況如圖3所示。

1.3 越過不平路面工況

此工況下這相當于沖擊載荷，則作用于轉向節的力為：

此時受力如圖4所示。

綜上所述，將所需參數帶入以上各公式中，分別求出各工況下轉向節所受力和力矩的值。具體值如表2所示。

表2 各工況下轉向節所受力和力矩的值

2、轉向節有限元模型的建立

由于轉向節形狀較為復雜，所以在建立模型時對其進行了適當的簡化，去除了一些對分析模型沒有影響的轉角，使其能夠快速方便地建模。本文采用UG軟件建立了幾何模型，然后導入到ANSYS軟件中。本模型采用solid92單元類型，生成34881個單元，54740個節點。如圖5所示，為網格劃分后的轉向節有限元模型。

轉向節的材料為40Cr，其彈性模量E=196 GPa，泊松比μ=0.3，屈服極限σs=785 MPa，取安全系數n=2，則許用應力[σ]=393MPa。

3、仿真分析

根據分析所得的等效應力與應變圖(圖6、圖7、圖8)，發現三種危險工況下最大應力均出現在大軸頸根部。因此,在設計時需要在轉向節大軸徑處采用適當的過渡圓角來避免應力集中的現象。此外，在小軸頸處的位移最大，由于該處類似于懸臂梁的末端, 其在外載荷作用下所產生的位移表現最明顯。三種危險工況下的最大等效應力和最大位移如表3所示。從表中可以得知，無論是轉向節處于哪一種危險情況下，轉向節的最大應力都小于40Cr材料的許用應力[σ]=393MPa。因此該轉向節的計算結果是完全符合汽車設計手冊中的安全條件。

表3 3種工況下的最大應力和最大位移

此外，可以發現該自卸車上的轉向節沒有明顯的材料多余。因為該轉向節是用在自卸車車體上，其本身就需要較高的安全系數才能保證轉向節的可靠性。從三種工況所得的應力云圖來看，該轉向節的應力分布是比較均勻的。其次，由于汽車是在顛簸路面上行駛, 使得轉向節在路面激振力的作用下載荷條件出現脈動，甚至出現交變載荷，這就會造成零件的疲勞破壞。再次，由于轉向節可能存在材料缺陷或在制造過程中產生的制造缺陷（如熱處理缺陷等），這都使得材料機械性能明顯下降。

4、結論

本文運用UG軟件和ANSYS軟件，建立了3工況轉向節有限元模型，分析3種工況下的轉向節應力應變分布規律。通過尋找最大應力處和最大位移處，找出了轉向節在各種工況下易損壞部位，并探討了其易損壞的具體原因。以上例子表明，我們可以通過有限元法在產品設計中的應用，有效優化該轉向節結構，改善設計質量，從而顯著降低設計成本。

[1] 宋黎明，胡巧英，宋晗，董志明，呂捷.某電動輪礦用車轉向節有限元分析[J].工程機械.2011,(07).

[2] 徐顴，蔡春源，嚴雋琪.《機械設計手冊》第4卷[M].機械工業出版社，2000.6.

[3] 張紅旗，曹文鋼，徐濤，等.基于ANSYS的客車轉向節的有限元分析.CAD/CAM與制造業信息化，2002（9）：25-27.

Strength Analysis of Steering Knuckle Based on ANSYS

Yang Guosheng
（Shaoxing Public Security Bureau Traffic Police Detachment, Zhejiang Shaoxing 312000）

According to the load states of wheels' movement and the vehicle design manual, force conditions of the steering knuckle under three dangerous situations are studied in details, and the formulas of force and torque are given respectively. Then its solid model created by UG software is imported into ANSYS and the static strength analysis is used to discuss stress and deformation of the steering knuckle under three dangerous situations, and provided a theoretical guidance for the design of the steering knuckle.

steering knuckle; static strength analysis; ANSYS

U463.4

A

1671-7988(2015)01-46-03

楊國勝，工程師，畢業于重慶交通學院管理工程系交通運輸管理工程專業，現就職于紹興市公安局交警支隊車輛管理所。