基于ANSYS Workbench 的齿轮齿条动力转向器齿条刚度分析

宋德喜，马志垒，张金孟

(豫北转向系统股份有限公司，河南新乡 453003)

基于ANSYS Workbench的齿轮齿条动力转向器齿条刚度分析

宋德喜，马志垒，张金孟

(豫北转向系统股份有限公司，河南新乡 453003)

在齿轮齿条动力转向器的工作过程中，齿条是承载的关键部件，齿条的刚度是齿条设计的重要参数。对转向器的齿条进行研究，利用有限元分析软件ANSYS Workbench 模拟齿条刚度实验过程，得到齿条的刚度及应力分布情况，通过与刚度实验对比，验证了有限元模型的正确性。文中的研究对转向器齿条刚度的设计、性能改进及质量评定有重要的参考价值。

有限元;齿条;刚度;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

汽车作为一种现代化的交通工具，和人们的生活息息相关，汽车的安全问题是当前汽车研究的主要课题[1]。在齿轮齿条动力转向器所构成的转向系统中，外界对车轮的作用力通过转向节、转向拉杆总成作用在齿条上。如果齿条刚度不足，在外力作用下，会发生弯曲或永久变形。对于液压助力式齿轮齿条动力转向器来说，齿条的过度变形会导致油封的偏磨，引起液压油泄漏，对驾驶员的直观影响就是助力不足或失去助力，直接影响驾驶安全[2]。因此齿轮齿条动力转向器齿条刚度是其基本的性能指标之一[3]。

有限元分析方法是一种低成本、高效率、预见性的设计方法。ANSYS Workbench 是新一代多物理场协同仿真环境，它针对航空、汽车、电子产品结构复杂，零部件众多的技术特点，提供多种接触算法，并具有计算速度快，几何处理能力、网格划分和后处理能力强等特点[4]。

文中借助有限元分析工具，对齿条刚度进行分析，并与实验数据比对校验计算的准确性。

1 有限元分析

文中根据齿条在刚度实验过程中的受力特点，对齿条模型进行合理简化。并将实验条件转化为有限元模型中的边界条件进行分析。文中仅对编号为1号的齿条刚度的分析过程进行详细介绍。

1.1 几何模型建立

根据齿条零件的尺寸在SolidWorks 中建立齿条的三维模型，并进行适当简化，如图1所示。因为齿条的刚度实验不是破坏性实验，在实验过程中，齿条材料处于弹性变形范围之内，因此远离齿形区的结构简化不会对齿条刚度分析产生大的影响。该模型中对齿条活塞卡簧槽和端部锁止槽进行简化。

1.2 有限元模型建立

齿条在转向器中的安装情况如图2所示。齿条在轴向方向存在两处支撑，一个是由支撑套1构成，另一个由齿轮组件3和调整体4联合构成。

在Workbench中，根据齿条上调整体和支承套的位置边界，对齿条进行切分，便于边界条件的施加。切分成三部分后的齿条模型如图3所示。

在Workbench中，以二阶四面体单元对齿条进行网格划分，单元大小按4 mm控制，在齿形支承区进行细化，单元大小按1 mm控制，共计节点211 990个，单元136 149个，划分完成的网格模型如图4所示。

齿条材料为S45SC，其材料参数列于表1[5]。

表1 齿条材料S45SC参数

1.3 边界条件施加

齿条刚度的实验要求如下：在转向器处于中位固定状态下，在齿条有齿一端的球头中心位置施加垂直于齿顶平面方向的载荷1.96kN,测量并记录齿条端部在载荷方向的变形量。1号齿条的刚度实验如图5所示。

将刚度实验的约束及加载状态进行理论分析后，施加在齿条有限元模型上，如图6所示。描述如下:

(1)对齿条支承套部位进行约束，限制其径向自由度；

(2)对齿条调整体部位进行约束，限制其径向自由度；

(3)对啮合区两个齿谷进行约束，限制其法向自由度；

(4)在球心位置施加远端载荷1.96kN，方向垂直齿顶平面向下。

1.4 有限元结果计算

经过计算，得到齿条整体的刚度位移结果与等效应力分布，如图7—9所示。

由图7可得出:在载荷作用下，齿条左部区域变形量很小，从啮合中心向右，变形量逐渐增大，在齿条端部达到最大值，为0.81 mm。

由图8、图9可看出:在载荷作用下，齿条应力由啮合区向两端扩散；且在齿条受压一侧应力为343.22 MPa,齿条受拉一侧应力稍大，为525.29 MPa。此应力均小于材料的屈服极限，这也说明了齿条的刚度实验为非破坏性实验。

2 实验结果对比分析

为了验证有限元分析结果，对6种不同规格的转向器齿条进行刚度分析及实验，分析及实验结果列于表2。

表2 齿条刚度有限元及实验结果

3 结论

通过对齿轮齿条动力转向器齿条进行刚度分析，并与实验结果进行对比，现得出结论如下：

(1)齿条按文中描述载荷进行刚度实验时，齿条材料处于弹性变形区，为非破坏性实验，且齿条受拉侧应力较大；

(2)运用Workbench 对齿条刚度进行分析，其结果与实验测试值比对，准确度达到94%以上。

(3)运用有限元分析技术对齿条刚度进行分析，可以为齿条的刚度设计及改进提供理论依据。

【1】 蒋建平,蒋晶.浅析汽车安全新技术与道路交通安全[J].绿色科技,2013(11):213-215.

【2】 张洪欣.汽车设计[M].2 版.北京:机械工业出版社,1995.

【3】 禹红斌.转向器齿条通气孔截面应力的分析[J].装备制造技术，2007(10):12-13.

【4】 李兵.ANSYS Workbench 设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社,2010.

【5】 中国第一汽车集团公司编写组.机械工程材料手册金属材料[M].5 版.北京:机械工业出版社,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，高级工程师，主要从事汽车转向器设计开发。E-mail:yb103sdx@126.com。