基于ANSYS的转向节强度分析

杨国胜

（绍兴市公安局交警支队，浙江 绍兴 312000）

基于ANSYS的转向节强度分析

杨国胜

（绍兴市公安局交警支队，浙江 绍兴 312000）

针对某自卸车转向节结构早期失效，存在断裂可能性等问题，参照车辆行驶状况和汽车设计手册，详细分析转向节在紧急制动、侧滑(向左侧滑)和越过不平路面3种工况下的受力情况。运用UG软件和ANSYS软件，建立了3工况转向节有限元模型，分析3种工况下的转向节应力应变分布规律。通过寻找最大应力处和最大位移处，找出了转向节在各种工况下易损坏部位，并探讨了其易损坏的具体原因。研究结果表明，该转向节最大应力小于材料许用应力，符合汽车设计手册中的安全条件，为转向节的设计提供理论指导。

转向节；有限元；ANSYS

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

引言

转向节是车辆转向系统中重要的零部件之一，实际工作场合比较复杂多样，工作是否可靠、是否安全将直接危胁着人自身的安全。实际工况下，转向节不仅承受着转向轮自身载荷和路面不平整所产生的冲击力，而且还要传递着来自转向器所产生的转向力来实现对汽车行驶方向的改变。在转向节冲击性方面、静强度方面以及可靠性方面都必须满足很高的实际要求。因而，其内部应力应变规律的分析是转向节设计过程中必不可少的环节之一[1]。

根据实际运行情况，断裂部位常常发生在轮毂轴承轴颈圆柱面与圆锥面的交汇处，导致转向节结构早期失效。本次研究主要是针对以上问题提出的。转向节的实物模型如图1所示。

1、转向节受力分析

根据汽车设计手册[2]，分析转向节在紧急制动、侧滑(向左侧滑)和越过不平路面3种工况下的受力情况，表1为某自卸车参数表。

表1 某自卸车参数如下表所示

1.1 紧急制动工况

紧急制动工况下, 转向节大、小轴颈处受到轮胎经轴承传递过来的力，将其分解为法向反力FZ1和切向反力FX1。由于车轮轮毂安装在轴承上, 因此制动时转向节大小轴颈不受扭矩作用。此时转向节的受力如图2所示。

此时，前轴载荷为：(所有公式用公式编辑器进行了修改)

1.2 侧滑工况(向左侧滑时)

侧滑工况下，由于作用在两前轮上的侧向力FY1、FY2不相等，再加上侧向力和垂直反作用力所产生的力矩方向也不同，致使作用在左、右转向节轴颈上的弯矩也不相同。假定该矿用车出现向左侧滑, 此时左转向节所承受的弯矩M1远远大于右转向节所承受的弯矩M2[3]。因此, 我们以承受较大弯矩的左转向节为研究对象。则左转向节的前轴载荷为：

侧向反力为：

由于FY1是作用在车轮上, 在将其平移到转向节轴颈处时, 必须加上由FY1对车轮所产生的力矩：

此时受力情况如图3所示。

1.3 越过不平路面工况

此工况下这相当于冲击载荷，则作用于转向节的力为：

此时受力如图4所示。

综上所述，将所需参数带入以上各公式中，分别求出各工况下转向节所受力和力矩的值。具体值如表2所示。

表2 各工况下转向节所受力和力矩的值

2、转向节有限元模型的建立

由于转向节形状较为复杂，所以在建立模型时对其进行了适当的简化，去除了一些对分析模型没有影响的转角，使其能够快速方便地建模。本文采用UG软件建立了几何模型，然后导入到ANSYS软件中。本模型采用solid92单元类型，生成34881个单元，54740个节点。如图5所示，为网格划分后的转向节有限元模型。

转向节的材料为40Cr，其弹性模量E=196 GPa，泊松比μ=0.3，屈服极限σs=785 MPa，取安全系数n=2，则许用应力[σ]=393MPa。

3、仿真分析

根据分析所得的等效应力与应变图(图6、图7、图8)，发现三种危险工况下最大应力均出现在大轴颈根部。因此,在设计时需要在转向节大轴径处采用适当的过渡圆角来避免应力集中的现象。此外，在小轴颈处的位移最大，由于该处类似于悬臂梁的末端, 其在外载荷作用下所产生的位移表现最明显。三种危险工况下的最大等效应力和最大位移如表3所示。从表中可以得知，无论是转向节处于哪一种危险情况下，转向节的最大应力都小于40Cr材料的许用应力[σ]=393MPa。因此该转向节的计算结果是完全符合汽车设计手册中的安全条件。

表3 3种工况下的最大应力和最大位移

此外，可以发现该自卸车上的转向节没有明显的材料多余。因为该转向节是用在自卸车车体上，其本身就需要较高的安全系数才能保证转向节的可靠性。从三种工况所得的应力云图来看，该转向节的应力分布是比较均匀的。其次，由于汽车是在颠簸路面上行驶, 使得转向节在路面激振力的作用下载荷条件出现脉动，甚至出现交变载荷，这就会造成零件的疲劳破坏。再次，由于转向节可能存在材料缺陷或在制造过程中产生的制造缺陷（如热处理缺陷等），这都使得材料机械性能明显下降。

4、结论

本文运用UG软件和ANSYS软件，建立了3工况转向节有限元模型，分析3种工况下的转向节应力应变分布规律。通过寻找最大应力处和最大位移处，找出了转向节在各种工况下易损坏部位，并探讨了其易损坏的具体原因。以上例子表明，我们可以通过有限元法在产品设计中的应用，有效优化该转向节结构，改善设计质量，从而显著降低设计成本。

[1] 宋黎明，胡巧英，宋晗，董志明，吕捷.某电动轮矿用车转向节有限元分析[J].工程机械.2011,(07).

[2] 徐颧，蔡春源，严隽琪.《机械设计手册》第4卷[M].机械工业出版社，2000.6.

[3] 张红旗，曹文钢，徐涛，等.基于ANSYS的客车转向节的有限元分析.CAD/CAM与制造业信息化，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

杨国胜，工程师，毕业于重庆交通学院管理工程系交通运输管理工程专业，现就职于绍兴市公安局交警支队车辆管理所。