1、轎車轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析江迎春 陳無畏（合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 合肥 230009）摘要對某款轎車前懸架在三種工況下的受力情況進行分析，并利用PATRAN和NASTRAN有限元分析軟件對該轎車的轉(zhuǎn)向節(jié)進行了強度和變形的分析計算，找到了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，為改進設(shè)計提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié) 有限元分析 應(yīng)力和變形 NASTRAN 中圖分類號： 文獻標識碼：Analysis of Automobile Steering Joint Based on NASTRANJIANG Yingchun Chen Wuwei(School of Mechanical and Automobile En

2、gineering, Hefei 230009)Abstract: This paper analyze the necessary of the finite elements analysis apply for automobile. Makes finite element analysis for the steering knuckle of a certain type of car by using PATRAN and NASTRAN and calculates the knuckles stress and deformation characteristics. Poi

3、nts out the weak point of design in the original structure， which is regarded as the basis for improvementKey words： steering joint; finite element analysis; stress and deformation; NASTRAN;1 概述汽車懸架對整車道路行駛動力學(xué)特性(如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等)有舉足輕重的影響。而轉(zhuǎn)向節(jié)是其中重要零部件。在車輛的行駛過程中，它不僅承受前軸負荷，而且在車輛轉(zhuǎn)向、制動時還要承受條件惡劣的載荷作用，因此其強度、抗沖

4、擊性都有很高的要求1。為保證行車安全，對其進行強度分析十分重要。而轉(zhuǎn)向節(jié)的形狀復(fù)雜，在不同工況下的載荷狀況都不易精確的確定。本文采用PATRAN中的剛性單元RBE2來輔助加載，使得載荷和邊界條件的位置與實際情況更加接近。針對汽車行駛過程中的三種工況分別進行分析，得到在垂直跳動、轉(zhuǎn)向和制動狀態(tài)下應(yīng)力和變形狀況。2 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型的建立圖1實體模型用UG40建立，通過接口程序轉(zhuǎn)化為parasolid格式的文件，轉(zhuǎn)化后的文件導(dǎo)入到Patran中進行前處理。首先去處過小的倒角，對模型進行了一定的簡化處理，既要使有限元模型能夠反映工程結(jié)構(gòu)的主要特征，又要盡可能地縮小解題規(guī)模。然后采用Tet10單元對其

5、進行劃分，考慮過渡面的尺寸，控制最小單元邊界尺寸05mm，最大 單元尺寸6mm ，首次劃分完后，用PATRAN對該轉(zhuǎn)向節(jié)幾何模型進行初步應(yīng)力及模態(tài)計算，比較之后，再對可能應(yīng)力較大的部分進行細劃，如上端伸出部分的根部，和大孔根部，加大了單元劃分密度。劃分完后模型的單元數(shù)是44656個，節(jié)點數(shù)11542個。劃分后的有限元模型如圖1所示： 圖1圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元網(wǎng)格模型3 轉(zhuǎn)向節(jié)的計算工況與邊界條件3.1 轉(zhuǎn)向節(jié)的在各工況下的受力一般的單前橋汽車，左右各有一個轉(zhuǎn)向節(jié)，分別通過主銷共同和車橋連接。這里所述的是應(yīng)用于某小型轎車的麥弗遜式獨立懸架，轉(zhuǎn)向節(jié)的上部與減振器下端剛性連接，下部孔與下擺臂球頭銷連

6、接，裝在轉(zhuǎn)向軸上的前輪可以繞減振器上端與轉(zhuǎn)向節(jié)下耳孔連線旋轉(zhuǎn)一定角度以實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。因為是發(fā)動機前置前驅(qū)動，所以在轉(zhuǎn)向節(jié)中有一大孔，之間有滾子軸承連接車輪軸和轉(zhuǎn)向節(jié)，屬于鉸接約束。轉(zhuǎn)向節(jié)的載荷一般由兩部分組成，即由汽車前懸簧載質(zhì)量產(chǎn)生的靜載和汽車行駛過程中產(chǎn)生的動載，有三種受力極限工況2-3： 1、車子通過不平路面時受到的地面脈沖力的沖擊；2、在緊急剎車時，受到地面縱向沖擊與車子的慣性力；3、車轉(zhuǎn)向時，受到橫向力的沖擊；當汽車通過不平路面時，車輪受到地面的沖擊向上跳動，在垂直載荷作用下，分別取減振器缸筒帶車輪、減振器活塞與活塞桿為隔離體，圖中假定彈簧力作用線與減振器的中心線DOO1O2重合，

7、O1，O2分別為減振器中心線與下控制臂EG（為便于分析，假定EG平行與地面）及車輪縱向中心面的交點，受力分析如下圖所示4:圖2 垂直跳動懸架受力狀況在圖示的橫向平面內(nèi)，車輪通過不平路面時受到地面向上的垂直跳動力,作用于N點，G點為轉(zhuǎn)向節(jié)與下擺臂連接點，由于可以垂直跳動，因此認為只受到水平方向的拉力。假設(shè)車身固定，隔離體通過D點和E點與之相連。a為輪胎中心線與減振器上端D點與車身相連接部分在水平方向的距離， c為下控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點G與減振器上端D點在垂直方向上的距離。最大垂直動載荷:式中：動載荷系數(shù)（取2.5）； 前輪靜載荷；由懸架整體受力平衡易得：由以上分析可得到轉(zhuǎn)向節(jié)受力狀態(tài)如圖所示：

8、圖3 通過不平路面轉(zhuǎn)向節(jié)受力汽車緊急制動時，隔離體除了在受到最大垂直靜載荷與橫向力之外，在縱向平面內(nèi)還受到最大制動力?？v向平面受力圖如圖4所示： 圖4 緊急制動時懸架的受力狀況圖4中（a）、（b）分別是縱向平面和橫向平面內(nèi)懸架的受力狀態(tài)。b為減振器上端D點到地面的垂直距離，e是D點與輪胎和地面接觸點的縱向距離。緊急制動時輪胎在N點受到垂直靜載荷與制動力，懸架中的G點除了在橫向平面內(nèi)受到拉力外，還在縱向平面內(nèi)受到車身通過擺臂傳來的慣性力。最大垂直靜載荷：最大制動力： 式中：汽車制動時質(zhì)量分配系數(shù)（根據(jù)文獻6取1.4）； 路面附著系數(shù)（根據(jù)文獻3取0.8）對D點列力矩平衡方程，易得： 同理，可得：

9、 認為極限狀況車輪抱死不轉(zhuǎn)，直接通過車輪軸作用于轉(zhuǎn)向節(jié)上。由此得到轉(zhuǎn)向節(jié)在制動狀態(tài)下受力： 圖5 制動狀態(tài)下轉(zhuǎn)向節(jié)受力在轉(zhuǎn)向時，極限狀態(tài)下內(nèi)側(cè)的車輪受到的垂直作用力為零，整個前軸的垂直載荷都作用到外側(cè)的車輪上，因此，最大垂直載荷。式中：前軸靜載荷最大側(cè)向載荷 其受力分析如圖4所示： 圖6 轉(zhuǎn)向時受力狀況圖中輪胎的N點受到地面反力和側(cè)向力；在轉(zhuǎn)向節(jié)與擺臂連接的G點受到推力。在G點的力可由下力矩平衡公式求得： 根據(jù)懸架受力分析得到轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向節(jié)受力狀況如下圖：圖7 轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向節(jié)受力3.2 有限元模型的邊界條件和載荷因為缺少輪胎的參數(shù)同時也為了減少分析的規(guī)模，沒有建立輪胎的有限元模型，將地面對輪胎的作

10、用力加在轉(zhuǎn)向節(jié)上，力平移中的力矩由輪胎和輪輞承受。同時為了定義約束條件方便，在轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪連接部位加位移約束，而將垂直力加在轉(zhuǎn)向節(jié)上端，這樣的約束和加載的效果和實際狀態(tài)是一樣的。為符合實際情況，取兩孔中心點的橫向坐標與減振器筒中心線的交點為加載點。加載方式通過利用PATRAN中的RBE2單元，在加載的位置建立單個節(jié)點，定義其為independent點，然后將轉(zhuǎn)向節(jié)上用于承受力的孔內(nèi)部節(jié)點定義為其dependent點，因為是完全的剛性連接，所以將相互的6個自由度全部關(guān)聯(lián)。圖8中（a）（b）（c）分別是通過不平路面、制動和轉(zhuǎn)向時的加載圖。（a） （b） (c)圖8 轉(zhuǎn)向節(jié)邊界條件圖4 強度計算及結(jié)

11、果分析該轉(zhuǎn)向節(jié)的材料為球墨鑄鐵QT500-7，彈性模量，泊松比=0.28，密度=。定義其為各向同性結(jié)構(gòu)材料Isotrpic，選擇線彈性本構(gòu)關(guān)系Linear Elastic。然后定義其單元屬性，采用Standard Formulation創(chuàng)建。選擇LINEAR STATIC分析即線性靜力學(xué)分析，Patran將文件提交給Nastran進行求解。4.1 應(yīng)力分析對轉(zhuǎn)向節(jié)靜力學(xué)強度分析得到的等效應(yīng)力云圖如圖9，圖10，圖11所示： 圖9 垂直跳動時轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力云圖圖10 轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力云圖 圖11 制動時轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力云圖由圖中可以看出，在垂直跳動工況下，轉(zhuǎn)向節(jié)大應(yīng)力的區(qū)域主要居于上端伸出部分的頸根

12、處，最大應(yīng)力值為485MPa，QT500-7的屈服極限320MPa，抗拉極限500MPa，其值超過材料屈服應(yīng)力，但就圖12所看，245MPa到485MPa過渡范圍很小，集中于少數(shù)幾個節(jié)點，因此可以認為是幾何的復(fù)雜形狀所引起的計算奇異點所造成的。 圖12 超過屈服應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力云圖其余大范圍過渡的高應(yīng)力區(qū)都基本在90245MPa之間，在去掉奇異點之后，整體的轉(zhuǎn)向節(jié)的分析得到的應(yīng)力結(jié)果是小于屈服極限的。轉(zhuǎn)向時大應(yīng)力區(qū)位于轉(zhuǎn)向節(jié)大孔的根部與上部突出部分相交位置，并且在小孔處形狀突變的地方產(chǎn)生應(yīng)力集中，如圖7中局部圖所示，最大應(yīng)力值460MPa，同樣的，其中259460MPa的應(yīng)力范圍過渡也很小，因此也

13、屬于奇異點。而整體高應(yīng)力范圍在120MPa左右；制動時高應(yīng)力區(qū)位于上部伸出部位的頸部下側(cè)，最大應(yīng)力值107MPa?？梢?，在三種極限工況下，去掉奇異點的應(yīng)力值，轉(zhuǎn)向節(jié)的整體應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。其中垂直跳動工況時轉(zhuǎn)向節(jié)的受力條件最為惡劣，可作為設(shè)計改進的重點。表1給出了在各高應(yīng)力節(jié)點在不同工況下的應(yīng)力值。表1 高應(yīng)力節(jié)點的等效應(yīng)力值節(jié)點節(jié)點號 應(yīng)力/MPa垂直跳動工況轉(zhuǎn)向工況制動工況ABCDE11129911796411151011588811344348525566.22203.5643420125202103.479.550.510.310749.74.2 變形分析 圖13分別為轉(zhuǎn)向節(jié)在

14、三個工況下的變形狀況，在三種圖13 轉(zhuǎn)向節(jié)在垂直跳動、制動、轉(zhuǎn)向工況下的變形圖（放大100倍）工況下最大變形量分別為0.9mm，0.2mm ，0.7mm。4 結(jié) 論1)本文主要是針對某款A(yù)級轎車的轉(zhuǎn)向節(jié)，利用PATRAN軟件做前后處理，NASTRAN軟件做求解器，針對汽車行駛過程中的三個工況進行了詳細的力學(xué)分析與求解計算。分析模型的網(wǎng)格劃分較為細致，保證了計算的精度。2）同時利用RBE2剛性單元處理加載和邊界條件約束。傳統(tǒng)的做法是將載荷和約束直接施加在大小孔內(nèi)，沿孔的周線方向按余弦規(guī)律分布，這樣加載存在一定的人為誤差。3）由計算結(jié)果可知，在三種工況條件下該轉(zhuǎn)向節(jié)強度均符合設(shè)計要求，其薄弱部位集

15、中在與減振器滑柱筒連接的部分以及大孔的根部。在垂直跳動的狀態(tài)下受力狀態(tài)最為惡劣。這與實際的轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞破壞狀況基本相符。可見有限元法對轉(zhuǎn)向節(jié)進行應(yīng)力應(yīng)變分析從而確定其薄弱環(huán)節(jié)，為改進設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。參考文獻1 馮大碧,王勇,楊曉明等. 客車左前輪轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂分析 汽車工藝與材料 2003（4）：40-412 武一民,崔根群,董正身. 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)有限元分析 拖拉機與農(nóng)用運輸車2004年第6期3 田應(yīng)剛,王霄鋒,周建明,馮正平. 轎車前懸架的有限元分析 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2001年第41卷第8期 4 劉惟信.汽車設(shè)計 清華大學(xué)出版社5 袁敏,趙韓,錢德猛.基于ANSYS 的模型客車轉(zhuǎn)向

16、節(jié)的彎曲強度分析 客車技術(shù)200516 陳黎清,譚繼錦,姜武華.基于ANSYS的轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析機械工程師-2005年第11期 附錄資料：不需要的可以自行刪除 流體機械原理課后解答p41習(xí)題一：一、為了滿足一個規(guī)劃中的企業(yè)用電高峰的需要，擬在有利地形處建一座具有一臺泵及一臺水輪機的抽水蓄能電站，該企業(yè)每天對電能的需要為：14h為P1=8MW；10h為P2=40MW。假定該企業(yè)可以從電網(wǎng)中獲得的電功率Pv是常數(shù)，已知：水輪機的總效率，泵的總效率，壓力管道的損失，電站的靜水頭。為簡單計，假定和為常數(shù)，其它損失忽略不計。假定該裝置中水的總量為常數(shù)（上游無來水，下游不放水，并忽略蒸發(fā)泄漏），試求：必需

17、的值。泵與水輪機的工作參數(shù)，。上游及下游水池的最小容積V。解：從電網(wǎng)中獲得的電能不足時，用水輪機發(fā)電補充；從電網(wǎng)中獲得的電能有多余時，用于泵去抽水蓄能。MWm3/s， m3/s對水輪機：m3/s；， MW，MW，對于泵：m3/s；，MW，MWVm3二、水輪機效率實驗時在某一導(dǎo)葉開度下測得下列數(shù)據(jù)：蝸殼進口處壓力表讀數(shù)Pa，壓力表中心高程m，壓力表所在鋼管直徑m，電站下游水位m，流量m/s，發(fā)電機功率kW，發(fā)電機效率，試求水輪機效率及機組效率。解：，；而，=0，=0m水輪機的效率機組效率三、某泵裝置中，進口管直徑mm，其上真空表讀數(shù)Pa（500mmHg），出口管路直徑mm，其上壓力表讀數(shù)MPa，

18、壓力表位置比真空表高1m，輸送介質(zhì)為礦物油，其密度kg/m3，泵的流量為m3/s，試求泵的揚程。解：泵的揚程某泵裝置中，進出口管直徑相同cm，進口真空表讀數(shù)mmHg，出口管路上壓力表讀數(shù)kgf/cm2，壓力表位置比真空表高1m，輸送介質(zhì)為礦物油，其密度kg/m3，泵的流量為 L/s，試求泵的揚程。答案：四、一臺送風(fēng)機的全壓為1.96kPa，風(fēng)量為40m3/min，效率為50，試求其軸功率。Wp103習(xí)題二四、軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機某一圓柱流面=2m，n=150r/min，在某一流量下=4m/s。試求：a)當葉片轉(zhuǎn)到使=10時，作出口速度三角形。此時轉(zhuǎn)輪出口水流的動能是多少？其中相對于的部分又是多少？b)為了獲得法向出口，應(yīng)轉(zhuǎn)動葉片使為多少？此時出口動能又為多少？c)設(shè)尾水管回能系數(shù)=0.85，且假定尾水管只能回收相應(yīng)于的動能，則上面兩種情況下出口動能損失各為多少？a)m/sm/sm/smmb)mc)回收的能量：損失的能量： 或五、在進行一臺離心泵的能量平衡實驗時，測得下列數(shù)據(jù)：軸