馬 宇，王紅衛(wèi)，蔚林林

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要安全件，在車輛運行中起著承載、導(dǎo)向的功能，其失效將導(dǎo)致汽車無法轉(zhuǎn)向而引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此，為了保證汽車在高性能的要求下有足夠的強度，對轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度進行分析是十分必要的。查目前國內(nèi)關(guān)于轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度的研究文獻，大體可以概括為三個方面:①改進轉(zhuǎn)向節(jié)臂的成形工藝及熱處理方法，改善其組織性能，借以提高轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度［1］;②運用仿真軟件對轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度、剛度及疲勞性能進行模擬分析［2］;③通過理論計算的方法對轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強度進行分析［3］。重載汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)臂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受荷載復(fù)雜，理論計算結(jié)果過于粗糙，目前的數(shù)值模擬分析文獻對載荷部分的處理還過于簡單，一般都是在接觸弧面施加均布荷載，模擬結(jié)果誤差較大。筆者主要利用ANSYS分析軟件，采用參數(shù)化命令處理非線性的載荷約束，對重載汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂進行靜力強度分析，并對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂的承載分析

汽車轉(zhuǎn)向系工作時承受的載荷主要來自人為施加在轉(zhuǎn)向盤上的力和來自地面的轉(zhuǎn)向阻力［4］兩方面。對于重載汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂，轉(zhuǎn)向盤上作用力較大。施加在轉(zhuǎn)向盤上的力，通過轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向垂臂和轉(zhuǎn)向直拉桿傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)臂的球頭弧面上。關(guān)于轉(zhuǎn)向節(jié)臂在工作時承受載荷的計算，涉及到的一些設(shè)計參數(shù)，如表1所列。

表1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)設(shè)計參數(shù)及傳動關(guān)系，依據(jù)式T=FhDiη/2，計算出轉(zhuǎn)向器從動齒輪軸所承受的扭矩T，轉(zhuǎn)向垂臂端部承受的力F1，轉(zhuǎn)向節(jié)臂右端孔處受得力F。根據(jù)關(guān)系式F1=T/l，計算出F為7 200 N。孔與軸之間是面與面的接觸，受力形式主要是分布力，根據(jù)受力面大小，得到載荷的大小，分布載荷形式不同，得到的載荷大小也不相等。以某種工況為例，根據(jù)公式A= πRh，式中R為圓孔的半徑為0.01 m，h為圓孔的深度為是0.023 m，計算得到面積為0.000 722 2 m2。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂建模

轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)相連接的部位是圓錐面，通過端部螺紋定位，在建立重載汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂的有限元模型時，考慮到端部螺紋定位部分受載較輕，完全按照實際的結(jié)構(gòu)尺寸建立螺紋模型，需要花費大量的時間確定其曲面曲率以及倒角的尺寸，給網(wǎng)格化及其分析計算帶來較大麻煩，在建模時忽略螺紋部分。同時零件上便于裝配的一些倒角對分析產(chǎn)生的影響很小，因此也可忽略。根據(jù)研究形狀的幾何特點以及有限元分析時約束條件，合理地簡化結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件模型。采用常用的三維造型軟件Pro/E，通過構(gòu)建基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸，利用拉伸、混合和混合掃描等構(gòu)建出轉(zhuǎn)向節(jié)臂的幾何模型，通過Pro/E與ANSYS的無縫集成，將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS中，設(shè)置材料屬性，定義彈性模量以及泊松比，采用Solid45單元，設(shè)置網(wǎng)格的邊界尺寸，確定了智能劃分的粗細(xì)精度為6級，采用自由劃分對模型進行網(wǎng)格劃分。得到轉(zhuǎn)向節(jié)臂的有限元模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂有限元模型

3 曲面載荷及約束的建立

轉(zhuǎn)向節(jié)臂與拉桿之間的接觸面是圓弧面，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)資料可知，其上的力是隨位置變化的。根據(jù)彈塑性力學(xué)以及數(shù)值分析中的最小二乘法，對轉(zhuǎn)向節(jié)臂所承受的載荷約束采用非線性變化的余弦三角函數(shù)。根據(jù)集中力F和受力面積A，得到載荷變化曲線，施加在與拉桿相連接的半圓弧面上。而與轉(zhuǎn)向節(jié)相連接的一端，采用全約束的形式。

4 結(jié)果分析與優(yōu)化

通過模擬計算，得到了轉(zhuǎn)向節(jié)臂的等效應(yīng)力分布情況，如圖2所示，轉(zhuǎn)向節(jié)臂的等效應(yīng)力的最大應(yīng)力點位于轉(zhuǎn)向節(jié)臂中間過渡部分;最大應(yīng)力是230.739 MPa。轉(zhuǎn)向節(jié)臂中間過渡部分的應(yīng)力變化最明顯，高應(yīng)力區(qū)較大;離過渡區(qū)域越遠(yuǎn)，高應(yīng)力區(qū)就越小，低應(yīng)力區(qū)較大。過渡部分存在最大等效應(yīng)力，遠(yuǎn)離過渡部分，等效應(yīng)力隨之減小，實際工作中轉(zhuǎn)向節(jié)臂的斷裂主要發(fā)生在該部位，說明其斷裂的主要原因是該部位強度不足引起的。

圖2 等效應(yīng)力圖

轉(zhuǎn)向節(jié)臂的中間過渡圓弧位置受力較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計是為了提高其強度，可增大過渡圓弧的半徑;與轉(zhuǎn)向拉桿相連接的部分，應(yīng)力變化較小，且多數(shù)處于低應(yīng)力區(qū)域。為了節(jié)省材料，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，需要對復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化處理。對于應(yīng)力值較小的區(qū)域可減小截面積，因此對原有模型進行適當(dāng)優(yōu)化處理，運用已有的載荷約束對其優(yōu)化后的模型進行強度模擬分析，結(jié)果如圖3所示?？煽吹剑瑑?yōu)化后的最大應(yīng)力值減小，最大應(yīng)力值是204.456 MPa，小于優(yōu)化前的230.739 MPa。

圖3 優(yōu)化后等效應(yīng)力圖

5 結(jié)論

(1)根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的受力特點，對半圓弧面采用了非線性的余弦函數(shù)變化規(guī)律載荷約束，并應(yīng)用APDL在重載汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐孔上進行加載、模擬了該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

(2)轉(zhuǎn)向節(jié)臂中間過渡部分應(yīng)力變化較為明顯，且出現(xiàn)最大應(yīng)力值。兩端與其它零件相連接的部分，應(yīng)力值較小。(3)通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)臂過渡圓弧半徑和構(gòu)件兩端部分的橫截面積，極大地降低了轉(zhuǎn)向節(jié)的最大應(yīng)力值，同時也節(jié)約了生產(chǎn)材料，從而探索出了提高轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度的有效方法。

［1］ 元 濤，段莉萍，陳 耘.左轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂失效分析［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2006，29(4):53－55.

［2］ 王延強，王若平，林 軍.某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂原因分析［J］.機械設(shè)計與制造，2007(6):126－127.

［3］ 胡艷蓮，劉常青.轉(zhuǎn)向節(jié)臂強度分析［J］.汽車使用技術(shù)，2010 (2):16－18.

［4］ 龔微寒.汽車現(xiàn)代設(shè)計制造［M］.北京:人民交通出版社，1995.