基于有限元的FSC赛车转向节的结构分析

张宝玉

(江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏淮安 223001)



基于有限元的FSC赛车转向节的结构分析

张宝玉

(江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏淮安 223001)

摘要：以某方程式赛车为例，对前、后转向节进行参数与结构设计，通过试验测得转向节关键连接点的受力，结合实际约束条件，再将转向节三维模型导入有限元分析软件Hypermesh进行网格划分，建立了高质量的转向节有限元模型，并分析转向节的应力应变情况，其结果满足强度要求，说明该设计方案是可行的。

关键词：FSC赛车转向节；Hypermesh软件；有限元分析

0引言

转向节是汽车悬架系统的重要机件，它连接轮毂和悬架控制臂，同时是转向节臂与制动卡钳的安装载体，承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向，确保汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向[1-2]。

1转向节模型建立

零部件的设计、加工和装配都应满足大赛规则要求，参赛赛车和样车的转向节依旧选用7075铝材。在符合大赛规则要求的前提下，对转向节的外形和结构做了改变，选择主销后倾且偏移距为正，这样能保证转向时不受太大的横向载荷和纵向载荷，操纵简便。在原来的基础上，将厚重的铝板改成现在的通孔式，且将原来方正的矩形改成现在的六边形，减小体积实现了轻量化。

图1为前转向三维模型图。将后悬架设计成拖拽式，在部件的设计、加工和装配都应满足大赛要求的条件下，转向节形状选用矩形。材料同样采用7075铝材。图2为后转向节示意图。

图1　前转向节三维模型图

图2　后转向节模型

2转向节与车架等部件的连接关系

由于双横臂式独立悬架侧倾中心高度比较低，当上、下横臂长度之比为0.66～0.70时，车轮平面倾角变化小于5°～6°，单个车轮上轮距的改变量应不大于4～5 mm(轮胎弹性变形的允许尺寸)，不会引起轮胎磨损，并能适应路面，轮胎接地面积大，贴地性好，抓地性能好，有清晰的路感。

上、下横臂均采用叉臂，构成三角形，具有很强的稳定性[3]。横向力由两个叉臂同时吸收，因此横向刚度大，抗侧倾性能优异。这使得支柱减震器不再承受横向作用力，只承受车轮的上下运动，因此在弯道行驶时具有较好的方向稳定性。

采用上、下两个A字形叉臂易于定位前轮的各种参数，设计较灵活，可以合理利用空间导向杆系的铰接点的位置及导向臂的长度，使得悬架具有合适的运动特性(亦即当车轮跳动或车身侧倾时，车轮定位角及轮距的变化能尽量满足设计的要求)，能够正确确定侧倾中心和纵倾中心的位置。

图3为转向节与轮毂悬臂和车架之间的连接示意图。

图3　转向节与其他部件安装图

3转向节有限元建模

基于建模软件的可操作性和划分网格与前处理软件功能的强大，在对赛车前、后转向节进行有限元分析的过程中，将在CATIA中绘制的三维零件模型以IGES格式导入有限元软件Hypermesh中进行网格划分与分析，网格划分时要实时检查其质量，网格质量的好坏直接影响分析结果的精准度。

经过几何清理、网格划分和网格质量检查，最终建立了前后转向节的有限元网格模型，其中，前转向节共划分单元数为30 079个，后转向节划分单元数为41 203个，模型图分别如图4和图5所示。

在悬架系统中，4个转向节是关键部件，起到至关重要的作用，其结构形式与强度直接影响着悬架甚至整辆赛车性能的发挥[4]。

图4前转向节网格模型图 图5后转向节网格模型

4前后转向节有限元分析

4.1前转向节有限元分析

通过实验与计算得到，在制动时转向节受力显著增大，且为主要变形时区。前转向节卡钳座安装孔受力为927 N，上下大小相同，方向相反。轴承安装孔下半圆柱面受垂直向下力，大小为662 N，对横臂连接点进行全约束，即X、Y、Z方向自由度均为0，在Optistruct模块中对划分好的转向节有限元模型进行分析，得到其应力、位移云图，如图6—8所示。

图6　前转向节von-Mises应力

图7　前转向节总位移

图8　前转向节X方向位移图

图6—8分别为前转向节等效应力云图、总位移图和X方向位移图。转向节的最大应力为27.94 MPa，发生在前下方与支座接触孔处；最小应力为0.020 84 MPa。转向节所受的最大应力远远小于所用材料的屈服强度455 MPa。用此种方式设计的转向节完全满足强度要求，且符合轻量化设计标准[5]。

转向节最大位移为0.001 836 mm，发生在转向节与制动钳座安装孔位置。由位移可见转向节变形非常小，可以忽略。前转向节X方向位移为0.001 831 mm，几乎等于总位移值，可见转向节在X方向(赛车行驶方向)位移量占主要地位，原因主要是制动时转向节前侧面受到了制动时制动力矩传递过来的力。

4.2前转向节有限元分析

将后转向节模型导入Hypermesh进行分析。对后转向节进行分析时，施加后轴静载荷809 N，作用点为轴承孔下半圆柱面，在前端面上下两圆孔处施加制动力，大小为1 132 N，在横臂安装孔进行约束处理。

分析结果如图9—11所示。

图9　后转向节von-Mises应力

图10　后转向节总位移

图11　后转向节沿Y方向位移

从总位移图中可以看出：转向节最大位移为0.001 749 mm，发生在两个安装孔边缘处，由于位移很小，可以忽略。沿Y方向的位移仅为0.000 14 mm，不到总位移的1/10，所以此处区域非常安全。转向节所受的最大应力依然集中在制动钳两安装孔处，大小为28.39 MPa，远小于应力极限值，最小值为0.002 667 MPa，因此可得出结论：转向节强度满足要求。

5结论

有限元分析是工程设计及产品开发的必要手段，对降低设计成本、提高生产效率有重要意义。文中通过对FSC赛车的前后转向节进行有限元建模及强度分析，初步确定了其结构可靠性和可行性。其中，高质量网格模型对后期的分析至关重要。得到的分析结果表明：前、后转向节均能满足结构强度要求。

参考文献:

【1】冯晋祥．汽车构造下册[M]．北京：人民交通出版社，2007.

【2】兰凤崇，张浩锴，王家豪，等.汽车转向节拓扑优化方法研究及应用[J].汽车工程，2014(4)：464-465.

【3】吴健瑜.大学生方程式赛车悬架设计及优化研究[D].广州:华南理工大学，2011.

【4】李嫚.FSAE赛车悬架的优化设计及分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011.

【5】王望予.汽车设计[M].4版.北京：机械工业出版社，2011．

Structure Analysis of FSC Car’s Steering Knuckle Based on FEA

ZHANG Baoyu

(Department of Mechanical Engineering,Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College,Huaian Jiangsu 223001,China)

Abstract:The parameters and structure design were conducted for the front and rear steering knuckle of an FSC car. Through experiment, the stress of key points in the steering knuckle was measured. Combining with the actual constraints, the 3D model of the steering knuckle was input into finite element analysis software Hypermesh to generate mesh,so high quality finite element model of the steering knuckle was built. Finally, the stress and strain of the steering knuckle were analyzed. The results meet the strength requirements, it is show that the design scheme is feasible.

Keywords:Steering knuckle of FSC car; Hypermesh software; Finite element analysis

收稿日期：2015-09-08

基金项目：淮安市P科技创新载体平台与产学研载体建设计划项目(HAP201411)

作者简介：张宝玉(1987—)，男，工学硕士，讲师，研究方向为汽车被动安全。E-mail：zbyzby870720@163.com。

中图分类号:U469.696

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)01-023-03