某型轿车转向节机构设计分析

本科毕业论文（设计）题目：某型轿车转向节机构设计分析

姓名：

学号：

专业：机械设计制造及其自动化

院系：电子通信工程学院

指导老师：

职称学位：助教／硕士

完成时间： 2017年4月

教务处制

本科毕业论文（设计）独创承诺书

本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。

毕业论文（设计）作者签名：

日期：

某型轿车转向节机构设计分析

摘要

本文的分析对象是某型轿车的转向节。转向节是汽车主要零部件之一，面对着各种环境的考验，承受着来自各个方面的力。它的静态特和动态特性关系到整车的行驶安全性。因此我们不仅要研究静态特性，也要研究动态特性，可以为汽车设计提供有力的数据，具有重要的安全意义和经济实惠性。

本文的主要目的是在ANSYS中对汽车转向节做静力分析。为此，我们应把转向节三维模型在PRO/E软件建立出来，通过在PRO/E中先要建立ANSYS10.0接口，并且将转向节的三维模型导入到ANSYS软件中进行有限元分析和研究。最重要的对其三种工况进行分析，第一种紧急制动工况，第二种侧滑工况最后一种是越过不平路面工况等三种危险工况分别进行静力分析。求解后，在ANSYS中查看其变形状况并获得最大位移、最大应力值和最大应变。最后对该转向节进行疲劳状态下的有限元模态分析，得到疲劳强度分析结果。实验结果表明该所设计转向节的疲劳性能较高，能满足工作要求。

关键词:转向节；有限元；PROE；ANSYS；结构静力分析；疲劳强度

Structure design analysis of steering knuckles of a car

Abstract

The The analysis object of this paper is the steering knuckle of a Commercial vehicle. Steering knuckle is one of the main parts of the car,Facing the test of various environment, bear the force from all aspects. Its jingtaite and dynamic characteristics are related to the vehicle driving safety. Therefore, we should not only study the static characteristics, but also study the dynamic characteristics, can provide powerful data

for automobile design, has important safety significance and economic affordability.

The main purpose of this paper is to do static analysis of automobile steering knuckle in ANSYS. Therefore, we should establish the three-dimensional model of

the steering knuckle in pro / e software, establish the ansys10.0 interface first through the pro / e, and introduce the three-dimensional model of the steering knuckle into ANSYS software for finite element analysis and research. The most important three conditions are analyzed, the first kind of emergency braking condition, the second sliding mode the last one to traverse the uneven pavement condition and other three dangerous conditions of static analysis. After solving, the deformation status and maximum displacement, maximum stress and maximum strain are viewed in the /

post1. Finally, the finite element modal analysis of the steering knuckle under fatigue state is obtained, the fatigue strength analysis results. The experimental results show that the fatigue performance of the designed steering knuckle is low, and can not meet the work requirements, and need to increase its fatigue strength.

Key W ord:Steering Knuckle, Finite Element Method, Static Analysis ANSYS, PROE，Fatigue Strength

目录

1 绪论 (1)

1.1 选题背景 (1)

1.2 课题研究的目的与意义 (1)

2转向节的成型和结构 (3)

2.1 转向节的成型 (3)

2.2 转向节的结构 (3)

3 转向节的三维建模和结构分析 (5)

3.1 转向节三维模型的建立 (5)

3.2 转向节的受力分析 (6)

3.2.1 作用在转向节上的静载 (6)

3.2.2 作用在转向节上的动载 (7)

3.3 转向节有限元模型建立 (7)

3.3.1 单元类型和有限元网格划分 (7)

3.3.2 转向节材料和属性 (8)

3.3.3 转向节有限元模型的受力和约束 (8)

3.3.4 转向节受力危险工况 (10)

3.4 计算结果分析 (19)

4 转向节疲劳分析 (20)

4.1 引言 (20)

4.2 疲劳寿命的定义 (20)

4.3 AYSYS处理疲劳问题的过程 (20)

4.4 转向节的疲劳分析计算 (21)

5 总结 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

1 绪论

转向节是汽车转向系统是否能够安全稳定工作的重要保障，汽车运行在不同工况过程中，它不仅仅承受来自于轴方向的负荷，尤其是在车辆在转向和制动过程中，转向节承受来自于汽车的动载荷[1]。当转向节处于工作环境十分恶劣的情况下工作时，它受力复杂而且多变，因此我们对其可靠性、冲击抵抗性以及可疲劳强度等方面都有很高的技术要求。我们为保证安全可靠性的使用，对于转向节零件进行疲劳强度分析就显得十分非常重要了。此论文主要在PRO/E软件中先进行三维模型的建立，后导入ANSYS软件中并运用有限元的方法对其进行强度分析。

1.1 选题背景

转向节运行的工况在实际生活中是比较复杂的，对于其是否安全可靠性，直接关系到用户的人身安全以及财产的安全性。由于其使用环境有严格的考验，所以要求转向节能够有较强的疲劳强度也就是增加其使用寿命。我们在设计转向节时，应当考虑到承受轴向的负载，还应该考虑到对于不同工况下传递的各方向载荷或者冲击力。此时转向节会发生偏移和失效，所以我们应当对不同工况的受力情况以及对其转向系统安全性的影响做深刻的研究。

在当前机械工程技术领域中我们经常运用有限元分析法，因为它是目前最便捷也是最有效的数值计算方法，已成为现代机械工程设计技术组成的核心部分。有限元分析法经过近几十年的发展，已经逐步迈向成熟阶段，为广大用户所喜爱,由于有限元分析的蓬勃发展因此开发了许多相关软件[2]。这些软件在便捷操作的同时，并且具有高的分析计算能力，由此也提高用户的熟练掌握水平。在性能上，可完成线性也可以完成非线性等问题，还有关于静力与动力等多方面问题的分析与求解。

对于研究转向的疲劳强度分析也是十分必要，因为其疲劳强度就是表示其使用寿命，对于在实际生活中转向节作为一件产品，当然是要求它具有高的强度和较长的使用寿命。在日益发展的今天，汽车已经逐步进入千家万户，而转向节作为汽车最重要的组成部分，可以看出它的发展前景十分广阔。

1.2 课题研究的目的与意义

伴随着经济的飞速发展，交通事业也发展的十分迅猛，转向节作为汽车的重要组成部分，对其研究和发展就显得十分重要了。转向节作为汽车中最关键的一环，承担着汽车的转向作用，它不仅仅是承载着汽车本身各方向的载荷以及外部环境的载荷和各种冲击力的影响。转向节的是否满足各个工况的性能要求，也就是直接影响着汽车在行驶过程中的安全、可靠以及稳定性，驾驶员以及乘坐人员的性命安全也就和转向节的性能要求紧密的联系到一起。所以此次论文的最主要研究目的就是怎么满足转向节的设计要求，我们应该从疲劳强度、刚度等各方面进行分析和计算。

汽车转向节在设计时要考虑到各种环境、温度以及发生意外的恶劣情况，传统的转向节的设计方法已经被淘汰了。我们应该引进新的的技术，并且也要自主创新，在快速发展的今天，不仅要考虑到产品的质量，更要降低生产成本以及生产周期，更加符合现在倡导的环保节约型社会，是赢得现在汽车市场的关键。本文通过对转向节的ANSYS10.0分析（ANSYS软件是由世界上美国最大的有限元分析软件公司之一开发的，是一种以分析集中于一体的大型的有限元分析软件。它可以与多个CAD软件进行相接口，并且能过实现数据的统一管理。如Pro/Engineer，Auto CAD等，再现代产品设计中是高级CAE工具之一。本文通过Pro/Engineer导入ANSYS进行分析。），利用新型技术开发产品，通过ANSYS 对其进行受力和疲劳分析，为转向节的设计制造打下坚实的基础，也为以后研究提供理论依据，便于研究计算和节约大量的分析时间。

2转向节的成型和结构

由于转向传动机构是由较多的零件所构成的，为更好地分析和了解转向节机构，现选择转向节受力情况较复杂的工况进行有限元分析。

2.1 转向节的成型

转向节是汽车导向的关键零件，它的工作性能要求直接关系到行车人员的生命和财产安全。因而对其有较高的要求。转向节锻件形状极不对称，截面变化剧烈，属复杂类锻件，锻造过程中支腿部分很难填充，所以转向节成型难度较大，对于转向节这一复杂零件在其锻造成型中会发生弯曲折叠、以及不能保持表面光滑等缺陷。

因此，为了保证锻造的质量，对于一些复杂结构的转向节采用了较为先进的锻造工艺。如对从国外引进的斯太尔重型汽车的转向节，根据其几何形状采用了挤压模锻复合工艺，其工步为镦粗、立式挤压、预锻、终锻、切边、校正。其中挤压是在闭式模膛中进行,预锻则在半封闭模膛中完成。而这一成型方案则是在具有先进水平的锻造生产线上实现的。

2.2 转向节的结构

汽车转向桥的左右各有一个转向节，转向节通过主销将前轴与车轮连接在一起，并驱使前轮转动，从而实现汽车的转向。转向节由固定制动器底板的凸缘和支承轮毂的指轴构成。转向节一般有三种结构形式，即整体锻造式、焊接式和螺栓连接式。现在大多数汽车均采用整体锻造式，本文所讨论的转向节也为整体锻造式。

转向节材料一般为中碳合金钢，并经模锻和热处理。为避免应力集中，枢轴根部一般做有较大半径的圆角。转向节两耳上的圆孔用以安装主销，从而使转向节通过主销与前轴铰链式连接起来。两个销孔在同一中心线上，是由加工来保证的。左右转向节下耳上各有一个带键槽的锥孔，分别用以安装左右梯形臂。在左转向节上耳上也有一个带键槽的锥孔，用以安装转向节臂。主销上铣有凹槽，用楔形锁销与凹槽配合，将主销固定在拳部的销孔内，使之不能转动。

而转向节则可以绕主销偏转一定的角度，以使汽车转向。

为了减少磨损，在转向节的两个销孔内压入青铜衬套，衬套上切有润滑油槽，可用润滑脂进行润滑。为使转向轻便，在前轴拳部下方与转向节下耳之间装有滚子止推轴承。安装时，应使轴承开口的一端向下，以防止泥沙进入轴承内部而造成加速磨损。此外，在拳部上方与转向节上耳之间装有调整垫片，以调整二者之间的间隙。主销的两端用端盖封住，以防止泥污进入。

转向节有左右转向节之分，都是通过主销将转向节叉形（或拳形）耳与前轴的拳部（或叉部）相连。转向节的上部装有转向节臂，与转向直拉杆连接，下部装有与转向横拉杆相连接的梯形臂，均采用螺栓连接方式，使紧固螺栓承受压力，使用可靠，连接刚度大，工艺性好。转向节的芯轴是供装车轮轮毂的，还有装制动器底板的凸缘。芯轴和主销孔轴线是不垂直的，它们倾斜的角度取决于前轮定位的主销内倾和前轮外倾的大小[3]。

本文所研究的整车基本参数如表2-1所示：

表2-1 整车基本参数

3 转向节的三维建模和结构分析

本章以某型轿车的整体式转向节为例，运用PRO/E软件建立转向节的三维模型，并通过ANSYS软件进行转向节的有限元分析。

3.1 转向节三维模型的建立

考虑到转向节三维模型的复杂性，软件建模功能的强大性，且ANSYS软件具有与PRO /E软件的接口工具，所以转向节的三维模型是在PRO/E软件中建立的。

综合考虑到整体式转向节的结构和转向节本身的受力特点，建模时，对某些部分做了简化处理，如考虑到螺栓和主销对于实体本身的强度和刚度影响较小，所以主销及转向节与车体的螺栓联接没有在图上画出，转向节两个销孔内的衬套和转向节两耳处的锥孔也没有在实体图上画出。

综上所述，简化转向节模型之后，本文所研究的某车型的转向节实体图如图3.1所示。

图3.1 转向节实体模型

在建立有限元分析模型时，也对结构和载荷进行了简化处理。简化原则是：对转向节主要承载部位，尽量保持原结构的形状和位置，如转向节轴颈；而对转向节非主要承载部位，考虑到其对整体的有限元分析影响不大，可以进行简化，

如前面讲的转向节与车体的螺栓联接，此约束在有限元分析中不予考虑。同时转向节实体上的小台阶，倒角等结构也略去了。在ANSYS 软件中进行求解时，约束加在两个主销孔位置，限制它们的所有自由度。

3.2 转向节的受力分析

在实际条件下，转向节上的受力主要由两部分组成：由前轴静重引起的静载荷和汽车在行驶中产生的动载荷。转向节的两耳部分各有一通孔通过主销与前轴连接在一起。装在转向轴上的前轮可以绕主销偏转一定的角度从而可以实现汽车的转向[4]。转向节与前轴的连接方式及转向节的静载受力简图如下图3.2所示。

图3.2 转向节与前轴的连接方式及转向节的静载受力简图

3.2.1 作用在转向节上的静载

由转向节的静载受力简图可以看出，转向节轴颈圆角处所承受的弯矩为：

L G RL M s 12

1==（3-1） 式中：1G —前轴静重；

12

1G L

R—静载时单个前轮的法向反作用力；

L—前轮支反力中心到轴颈圆角处距离，本文中L=58.5mm。

3.2.2 作用在转向节上的动载

汽车在行驶的过程中，转向节所承受的动载大小和方向视工况的不同而不同，具有代表性的三种工况如下[5]:

(1) 紧急制动工况

汽车在紧急制动情况下，转向节同时受到两个方向上的载荷，因制动而使前轴载荷重新分配而在垂直方向所产生的载荷和车辆运动惯性力在水平方向所产生的冲击载荷[6]。

(2) 侧滑工况

发生侧滑时，汽车左、右两个前轮将分别受到一大小不等，方向相同的侧向力，且垂直反作用力大小也不相同。

(3)通过不平路面工况

在不平路面上行驶时车辆的振动使转向节承受带冲击性的疲劳载荷，动载荷的方向与前轴静载方向相同。

3.3 转向节有限元模型建立

3.3.1 单元类型和有限元网格划分

采用体划分的形式，用solide92四面体单元对转向节进行网格划分[7]，划分之后得到的节点数和单元数见表3-1。

其中图3.3为划分网格之后得到的转向节结构有限元模型。

表3-1 转向节的节点数和单元数

图3.3 转向节结构的有限元模型

3.3.2 转向节材料和属性

本文研究的转向节所使用的材料为合金钢[8]，其材料参数如表3-2所示：

表3-2：转向节材料参数表

3.3.3 转向节有限元模型的受力和约束

路面对车轮的垂直力、纵向力和侧向力依次通过转向节、上下球头销、上下摆臂传到车身。其中，转向节的基本受力情况有三种[9]：

（1）车轮受垂直力的作用

取车轮和转向节为隔离体，假设上下摆臂与水平线夹角分别为21??，，根据

隔离体的平衡条件即可求出作用在转向节和上下摆臂连接点A 、B 两处的作用力。

图3.4 车轮受垂直力作用

（2）车轮受侧向力的作用

考虑车轮转向或侧滑时，车轮受侧向力作用。同样取车轮和转向节为隔离体，可以求出作用在转向节和上下摆臂连接点A 、B 两处的作用力。

图3.5 车轮受侧向力作用

（3）车轮受纵向力的作用

作用在上下摆臂和转向节球销上的反作用力，与车轮所受纵向力平衡，即可求出A 、B 两处的反作用力。

3.3.4 转向节受力危险工况

转向节的危险工况主要有下面三种：紧急制动工况、侧滑工况和越过不平路面工况。对转向节进行有限元分析时就按照汽车满载时的这三种工况进行，且在有限元模型上加力时，力应该分别加在转向节安装轴承处的近似中心位置。本例中转向节有两个轴承，所以各力及力矩应平均分开加在转向节安装轴承处的近似中心位置[10]。

（1）紧急制动工况

在此工况下，转向节轴颈受到来自地面经车轮传递过来的法向反力和切向反力。由于转向节上安装有轴承，因此制动时，转向节不承受扭矩的作用[11]。此时转向节的受力简图如图3.7所示,

此时，前轴载荷为：

)7508.01490(3080

8.92800)(?+?=+=g z h b L G F ?（3-2） )(9.18621N =

其中G 为汽车满载时总重量（N ），?为地面附着系数，这里取为0.8。

)(95.93102

9.1862121N F F z Z ===（3-3） )(76.744895.93108.011N F F Z X =?==?（3-4）

图3.6 车轮受纵

向力作用

将建立起来的有限元模型通过ANSYS 软件进行有限元分析，通过约束、加载，最后得到转向节应变云图如图3.8所示，应力云图如图3.9所示，变形图如图

3.10所示。

图3.7 紧急制动工况下转向节受力简图 1

Z F 1X F

图3.8 紧急制动工况下转向节应变云图

图3.9 紧急制动工况下转向节应力云图

图3.10 紧急制动工况下转向节变形图

（2）侧滑工况

侧滑时作用在汽车两个前车轮上的侧向力1y F （右）、2y F （左）不等，假设

汽车出现向右侧滑，则有:

)12(211

11+''=B h G F g y ??（3-5） )12(211

12-''=B h G F g y ??（3-6） 其中?'为侧向滑移附着系数，一般可取?'=1,1G 为满载时前轴静载荷（N ）。 则侧向力和垂直反作用力所产生的力矩方向不同，导致作用在左右转向节轴颈上的弯矩也不相同[12]。如上假设，汽车向右侧滑，此时，右转向节所承受的弯矩1M 大于左转向节所承受的弯矩2M 。所以在进行有限元分析时，我们把右转向节作为研究对象。此时有：

)12(211

11+''=B h G F g y ??=)1157017502(18.9135521+?????? =12982.97(N) （3-7）

)12(211

11+'=B h G F g z ?=)1157017502(8.9135521+????? =12982.97(N) （3-8）

由于1y F 是作用在前轮上的，在将其等效到转向节轴颈时，应加上由1y F 产生

的力矩：

=M 1y F r ?=12982.97?324=4206482.28(Nmm)=4206.48(Nm) （3-9）

其中r 为前轮滚动半径（mm ）。

此时，转向节的受力简图如图3.11所示。

图3.11 侧滑工况下转向节受力简图

将建立起来的有限元模型在ANSYS 中进行有限元分析，所得出来的转向节应变云图[13]如图3.12所示，应力云图如图3.13，变形图如图3.14。