汽车循环球式转向器关键零件有限元分析

李标 王玲芝 陈晨 尹宗军 苏蓉 陈新禾

摘 要：循环球式转向器因具有操作轻便、传动效率高的优势，其核心部件决定着汽车转向性能的优劣，尤其是转向螺杆断裂、钢球磨损破碎所带来的磨损性能和疲劳性能问题。文章针对常见的循环球转向器，采用Catia软件建立循环球式转向器两级传动副的实体模型，随后利用HyperMesh对螺母和齿扇进行网格划分，最后导入Abaqus进行有限元计算。结果表明：转向螺母和齿扇的Mises应力均满足强度要求。

关键词：循环球式转向器;有限元分析;应力云图

中图分类号：U463.43  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）16-113-03

Abstract： The core components of the circulating ball steering gear determine the steering performance of the vehicle， especially the wear performance and fatigue performance problems caused by the fracture of steering screw and steel ball. In this paper， CATIA software is used to establish the entity model of two-stage transmission pair of the recirculating ball steering gear. Then， HyperMesh is used to mesh the steering nut and the gear sector. Finally ABAQUS is introduced for finite element calculation. The results show that the Mises stress of the steering nut and the gear sector meet the strength require -ments.

Keywords： Recirculating ball-type steering; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U463.43  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）16-113-03

前言

循環球式转向器由两级传动副、壳体、钢球和间隙调整装置等组成。第一级传动副是螺杆—螺母传动副，第二级是齿条—齿扇传动副。循环球转向器具有传动效率高，工作平稳可靠等优点，无论是轿车、客车、货车，还是重型汽车的动力转向均可以采用，是目前国内外应用最广泛的一种结构型式[1]。

刘帆[2]对循环球式转向器功能试验台进行构架分析，建立了基于虚拟仪器LabVIEW的转向器性能检测系统，实现了对转向器各项性能的测试和结果分析。柯善乐[3]针对某型客车在双纽线转向工况、蛇形转向工况和阶跃转向工况中的循环球变比转向器齿轮副工况，分析了变比齿轮副的齿根弯曲应力、齿面接触应力及动态传动误差等动态性能。岳晓[4]采用显式有限元软件LS-DYNA计算分析两级传动副协调工作的运动过程，得到循环球转向器钢球、螺杆、螺母、扇形齿轮轴等主要部件的应力、应变、位移的时间历程。本文以某车型循环球式转向器为研究对象，分别针对循环球动力转向器的两级传动副的工作特性，对齿条—齿扇副进行了静力学分析。

1 循环球式转向器关键零件建立

1.1 循环球式转向器的总体构造与工作原理

循环球式转向器由总体由两级传动副组成。第一级传动副是由转向螺母以及转向螺杆组成;第二级传动副是由齿扇齿条以及摇臂轴组成。总体可以细分为转向器壳体、转向螺母、转向螺杆、摇臂轴、齿扇、钢球滚珠、上下盖、侧盖等。如下图1所示是循环球式转向器的结构简图。

转向盘上的旋转力矩传动至循环球式转向器第一级传动副后，由于螺杆与螺母通过轨道内的钢球连接，旋转运动转变为转向螺母的直线运动。螺母与齿扇相互啮合，传动到摇臂轴做回转运动，带动联动拉杆与横拉杆，从而使达到了使汽车的转向轮转向的目的。

1.2 几何模型建立

利用Abaqus施加载荷、设置求解参数并求解，轮齿上的圆周力与螺母下面的齿条上的力是一对相反力，最大数值为12117.87N;最后对数据进行可视化处理与相关的分析。把计算结果输入数据库，得出分析云图。

经过处理得出下图结果，经过处理后显示齿扇Mises应力为395.72MPa<835MPa，满足条件。

同理，对螺母上的齿条进行有限元分析后可得齿条的Mises应力为312.62Mpa<835MPa，也满足条件。

3 结论

汽车行驶时，驾驶员不断操作方向盘实现变向需求，由于转向操作的实时性，循环球变比转向器齿轮副的运动和受力是瞬时变化的。结合转向阻力矩与循环球变比转向器齿轮副工况关于转向螺母和齿扇的运动和受力关系，分析了转向螺母和齿扇弯曲应力、齿面接触应力。利用Catia软件进行了三维实体建模，再导入有限元分析软件Abaqus对轮毂力学进行了静力学分析。结果表明：转向螺母和齿扇的Mises应力均满足强度要求。

参考文献

[1] 张静，方世杰.循环球转向器螺杆的可靠性计算[J].煤矿机械，2006， 027（002）：187-188.

[2] 刘帆.汽车循环球式转向器动力特性分析与检测设备开发[D].杭州电子科技大学，2018.

[3] 柯善乐.不同转向工况下循环球变比转向器齿轮副工况的研究与应用[D].武汉理工大学，2016.

[4] 岳晓.循环球动力转向器应力和疲劳分析[D].华中科技大学，2016.

[5] 王爱荣.汽车循环球动力转向器研发[D].长江大学， 2012.