转向驱动桥转向节臂的分析与改进

张吉宏

摘 要：应用有限元法对转向节臂进行结构分析。针对所受承载力不足问题，文中提出新的改进措施，将转向节壳设计成具有转向节臂功能的结构。结果表明，该转向机构具有结构简单，受力均匀，生产成本低等特点，实际使用完全满足设计要求。

关键词：有限元法；转向驱动桥；转向节臂

Abstract： The finite element method is used to analyze the steering knuckle arm， and the calculation result is not satisfied. In this paper， an improved steering knuckle shell instead of the steering knuckle arm. The results show that the new steering mechanism has the characteristics of simple structure， uniform stress distribution， low production cost and so on. It can meet the design requirements in practical application.

Keywords： finite element method； steering-drive axle； steering knuckle arm

中图分类号：U463 文献标识码：A

转向驱动桥有着转向和驱动两种功能。既具有一般驱动桥的主减速器、差速器和半轴，也具有一般转向桥的转向节臂、转向节壳、主销等。驱动时，主减速器将动力通过差速器总成、内半轴、外半轴、轮毂，最后传到轮胎，实现驱动。转向时，转向连杆推拉转向节臂，转向节臂与转向节壳相连，从而带动转向节壳、转向节轴颈、轮毂和轮胎，完成转向。转向驱动桥广泛应用到工程车、越野车和轿车等领域。

现设计一款转向驱动桥，由于转向节臂尺寸受空间所限，在计算过程中出现承载能力不足的问题，本文对此转向节臂进行了有限元分析，并提出了改进措施。

1.几何模型的建立

转向驱动桥结构复杂，采用Solid Works软件进行建模效率高。再将转向节臂模型导入Hyper Mesh软件进行网格化分，最后通过ANSYS进行计算。几何模型如图1所示。

2.有限元模型的建立

转向节臂模型采用SOLID45单元划分网格。模型共4440个节点，3068个单元。建立刚性单元将受力点与转向节臂轴承孔内节点相连。工况设定为：转向节臂与转向节壳为固定约束，沿实际受力方向加载4500N力。输入材料密度ρ=7.8e-9t/mm3，弹性模量E=2.06e5MPa，泊松比μ=0.3。

3.求解结果及分析

将模型导入ANSYS进行后处理。结果显示应力集中在A处如图2所示，应力值为637.559MPa。转向节臂材料选用合金钢40Cr，屈服强度为σs=490MPa，显然计算结果不满足强度要求。

4.结构改进措施

经过多方案讨论，最终将转向节臂取消，转向节壳侧面设计成支耳结构，孔内安装关节轴承直接与转向连杆相连，轮边结构得到了简化。为了验证新的转向节壳强度，同理对它进行了有限元分析。支耳部分采用六面体网格，壳体复杂部分采用四面体网格，划分结果如图3所示。

经过ANSYS计算表明，转向节壳应力分布均匀，最大应力发生在A处如图4所示，应力值为171.57MPa。转向节壳选用可锻铸铁KTH35-10，屈服变形0.2%时的强度为σ0.2=200MPa，计算结果满足承载要求。

结论

新的转向机构具有生产成本低，生产周期短、结构简单、占用空间小等优点。

转向驱动桥生产后，经过长时间和多种工况试验，新型转向节壳在实际使用中表现良好如图5所示。未出现断裂、变形等失效问题，完全满足设计要求。

参考文献

[1]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，1997.

[2]刘惟信.汽车车桥设计[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]张洪欣.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，1999.