汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的建模及有限元分析

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的建模及有限元分析,汽車,轉(zhuǎn)向,建模,有限元分析 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的建模及有限元分析 　　　　　　　　 學(xué)生姓名： 二級學(xué)院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1 緒 論 1 1.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)簡介 1 1.2 研究目的和意義 2 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 2 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 5 2.1 轉(zhuǎn)向節(jié)具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇 5 2.2 汽車行駛典型工況簡介 5 2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)受力分析 6 3 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的模型建立 8 3.1 Pro/Engineer軟件簡介 8 3.2 Pro/Engineer軟件建模 8 4 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元分析 11 4.1 有限元法和ANSYS分析軟件 11 4.1.1 有限元法概述 11 4.1.2 ANSYS軟件介紹 12 4.2 建立實體模型 13 4.3 定義材料屬性 13 4.4 定義單元與網(wǎng)格劃分 14 4.5 邊界條件處理 16 4.6 轉(zhuǎn)向節(jié)靜強度分析 16 4.6.1 越過不平路面工況 16 4.6.2 緊急制動工況 19 4.6.3 轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況 21 4.7 轉(zhuǎn)向節(jié)模態(tài)分析 23 4.8 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞分析 27 4.8.1 越過不平路面工況 28 4.8.2 緊急制動工況 29 4.8.3 轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況 30 5 結(jié) 論 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 34 V 摘要 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的建模及有限元分析 摘 要 作為汽車底盤中的一個重要零部件，轉(zhuǎn)向節(jié)承接有汽車的制動器、轉(zhuǎn)向系的傳動機(jī)構(gòu)、前車輪軸和懸架，它的主要功能是承受汽車的前部載荷以及帶動前輪實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。當(dāng)在較為惡劣的工況中使用時，轉(zhuǎn)向節(jié)受力很大且較為復(fù)雜，因此在靜強度、抵抗疲勞強度以及可靠性能等方面都對其提出了非常高的要求。對此，為了確保轉(zhuǎn)向節(jié)在使用過程中的安全性以及可靠性，對轉(zhuǎn)向節(jié)的零部件進(jìn)行強度等分析是很有必要的。 本論文在回顧了國內(nèi)外相關(guān)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Pro/E三維繪圖軟件對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了幾何模型的建立，并且運用ANSYS有限元分析軟件分別對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了靜強度分析、模態(tài)分析和疲勞分析，分析結(jié)果表明該轉(zhuǎn)向節(jié)滿足強度等要求。 最后，對整片論文進(jìn)行總結(jié)，并對進(jìn)一步的研究提出了一些展望。 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié)；建模；靜強度分析；模態(tài)分析；疲勞分析 Abstract Modeling and finite element analysis of automobile steering knuckle Abstract As an important part of automobile chassis, steering knuckle connecting automobile braking and steering system transmission mechanism, front axle and suspension and its main function is to bear load the front of the car and drives the front wheel to achieve the vehicle steering. When the working condition is bad, the steering knuckle is large and complex, so it has a high demand on the static strength, fatigue strength and reliability. Therefore, in order to ensure the reliability and safety of its use, it is necessary to analyze the strength of the steering knuckle parts. Based on the review of the current research situation of the automobile steering knuckle, this paper apply the three-dimensional software of Pro/E to establish the geometric model of steering knuckle, and it has separately carried out the analysis research of static, modal and fatigue strength using finite element analysis software of ANSYS, and the analysis results indicate that this steering knuckle can satisfy the strength requirements. At last, the thesis summarizes the whole paper, and puts forward some prospects for further research. Key words: steering knuckle; modeling; Static strength analysis; modal analysis; fatigue analysis 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)簡介 作為具有里程碑意義的現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品發(fā)明之一，汽車徹底改變了人們的交通出行方式，它的出現(xiàn)加快了人員、物資、信息的流動，節(jié)約了跨地域轉(zhuǎn)移的路程時間，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)走向長期繁榮。近幾年以來，我國交通運輸事業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出良好的趨勢，因此汽車對于我國的交通運輸行業(yè)的長足發(fā)展來說，起著日趨重要的作用。 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)作為汽車底盤中非常關(guān)鍵的一個安全零部件，其結(jié)構(gòu)形狀、功能作用、制造過程、承受載荷等對于其他汽車零部件生產(chǎn)具有很好的借鑒意義。它與汽車的制動器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前車軸和懸架相連接,能夠使汽車穩(wěn)定行進(jìn)并靈敏傳遞行進(jìn)方向，在汽車的正常行進(jìn)過程中，它主要起到承載及轉(zhuǎn)向的作用，當(dāng)汽車需要轉(zhuǎn)向時，它主要起到傳遞轉(zhuǎn)向力矩的作用，而當(dāng)汽車需要剎車時，它主要又起到承受剎車制動力矩的作用。 轉(zhuǎn)向節(jié)在車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中充當(dāng)?shù)慕巧傻刃橐粋€鉸鏈，其結(jié)構(gòu)一般為叉形，如圖1.1所示。其上下兩叉端面上開設(shè)有用于安裝主銷的孔，且兩孔軸線在一條直線是，車輪一般安裝于轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸。為了實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的功能，使用主銷來連接轉(zhuǎn)向節(jié)上叉斷面的銷孔上的兩耳與位于前軸兩端的呈拳頭形狀部分，并確保前輪能夠繞連接的主銷進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動動作。為了減少轉(zhuǎn)向節(jié)的磨損，銷孔內(nèi)壓入以青銅為材料的襯套，并且該襯套采用潤滑脂進(jìn)行潤滑。為了更易于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的靈活性，在轉(zhuǎn)向節(jié)上叉端面的銷孔上的下耳與位于前軸兩端的呈拳頭形狀部分兩者之間安裝一對軸承，除此之外，在轉(zhuǎn)向節(jié)上叉斷面的銷孔上的上耳與位于前軸兩端的呈拳頭形狀部分兩者之間還安裝有用于調(diào)整間隙的調(diào)整墊片。 圖1.1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)所處位置示意圖 按汽車的車型分類，轉(zhuǎn)向節(jié)可分別分為用于轎車、客車、微型汽車、輕型汽車、中型汽車和重型汽車等車輛的轉(zhuǎn)向節(jié)；按扭轉(zhuǎn)后是否存在明顯的結(jié)構(gòu)變形分類，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可分別分為剛性以及撓性轉(zhuǎn)向節(jié)；按照制造時所采用的材料和方式方法分類，轉(zhuǎn)向節(jié)可分別分為鑄鋁、鑄鐵和鍛鋼轉(zhuǎn)向節(jié)；按幾何形狀的特征分類，轉(zhuǎn)向節(jié)可分別分為如下圖1.2所示的長桿類轉(zhuǎn)向節(jié)、中心孔類轉(zhuǎn)向節(jié)和套管類轉(zhuǎn)向節(jié)。顧名思義，長桿類的轉(zhuǎn)向節(jié)主要包括長桿、法蘭以及枝杈三個部分，其在大中型的汽車和大客車中應(yīng)用比較多；中心孔類的轉(zhuǎn)向節(jié)主要包括中心具有通孔的基座、法蘭以及枝杈三個部分，它在由前橋驅(qū)動的轎車中應(yīng)用較為廣泛；管套類轉(zhuǎn)向節(jié)主要包括長桿、管套和法蘭三個部分組成。 由于轉(zhuǎn)向節(jié)的工作能力取決于其強度和剛度，因此，為了提高其強度和剛度，使其更加耐用、質(zhì)量更高，一般會對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇慊鹛幚怼? (a) 長桿類轉(zhuǎn)向節(jié) (b) 中心孔類轉(zhuǎn)向節(jié) (c) 套管類型轉(zhuǎn)向節(jié) 圖1.2 按形狀特征分類的轉(zhuǎn)向節(jié) 1.2 研究目的和意義 作為一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的枝杈類零件，轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車行進(jìn)時承受著復(fù)雜多變的載荷，主要有負(fù)載載荷、零部件之間的相互約束以及地面?zhèn)鬟f來的沖擊力等，這就要求轉(zhuǎn)向節(jié)在靜強度、抵抗疲勞強度的能力、抵抗沖擊的能力以及可靠性等性能方面具有非常嚴(yán)格的硬性指標(biāo)。由于轉(zhuǎn)向節(jié)的安全與否在極大程度上決定了汽車的整體安全狀態(tài)，甚至直接決定了駕駛員與乘車者的生命財產(chǎn)安全，所以有效及時的展開關(guān)于轉(zhuǎn)向節(jié)的相關(guān)研究工作對于提高汽車使用的安全性和可靠性具有十分重要以及深遠(yuǎn)的意義。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 作為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中一個的重要零件，轉(zhuǎn)向節(jié)不僅承受來自前軸的載荷，同時還承受地面沖擊、轉(zhuǎn)向、制動、車輪側(cè)滑等產(chǎn)生的載荷，所以，要求轉(zhuǎn)向節(jié)在外形結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械性能方面具有非常嚴(yán)格的硬性指標(biāo)，對于轉(zhuǎn)向節(jié)的深入實驗，許多國內(nèi)外的學(xué)者已收獲頗豐。鄭州輕工業(yè)學(xué)院的韓立國[1~2]通過常用三位繪圖軟件建立轉(zhuǎn)向節(jié)的幾何模型，并在此基礎(chǔ)上，使用有限元分析軟件ANSYS研究了轉(zhuǎn)向節(jié)的強度和可靠性方面的內(nèi)容，進(jìn)而提出了概率有限元分析論，從而發(fā)現(xiàn)了影響轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性的最重要的因素為彈性模量和外載荷；天津大學(xué)的武一民等人[3]針對應(yīng)用于某款農(nóng)用車的轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，他們主要研究了轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)變化對其應(yīng)力分布所帶來的影響；上海交通大學(xué)的蔣瑋[4]使用了第三方的網(wǎng)格劃分軟件Hyper mesh 對某款轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，他考慮到轉(zhuǎn)向節(jié)在實際工作中的受力情況，使用有限元的方法分別分析了處于汽車行進(jìn)過程中經(jīng)歷的三種危險工況時轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力分布和疲勞狀態(tài)；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳黎卿等[5]使用有限元分析軟件ANSYS分別分析了處于汽車行進(jìn)過程中經(jīng)歷的三種危險工況時轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)強度，通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，該型號轉(zhuǎn)向節(jié)的局部位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，即該位置為轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計中容易發(fā)生破壞的薄弱位置, 從而為后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計提供了依據(jù)；安徽輕工業(yè)技師學(xué)院的吳昌鳳等人[6]借助于有限元分析軟件ANSYS分析了某款型號的客車轉(zhuǎn)向節(jié)在荷載作用下的變形特性和應(yīng)力分布狀態(tài)，通過結(jié)果分析得出，當(dāng)客車在滿載狀態(tài)時，此轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸附近區(qū)域為容易發(fā)生破壞的比較薄弱的位置，這就為后續(xù)的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計提供了理論參考的依據(jù)。 當(dāng)汽車處于行進(jìn)狀態(tài)下時，轉(zhuǎn)向節(jié)往往會受到各種往復(fù)作用的隨機(jī)載荷作用，這些隨機(jī)載荷一般普遍低于轉(zhuǎn)向節(jié)材料的強度極限，但往往正是這些不起眼的低強度載荷，對轉(zhuǎn)向節(jié)造成不可修復(fù)的疲勞損傷。而一旦疲勞損傷累計轉(zhuǎn)變?yōu)槠谄茐模D(zhuǎn)向節(jié)就會發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致一系列的災(zāi)難性后果，甚至造成巨額的財產(chǎn)損失和較大的人員傷亡。因此對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行的可靠性研究其實是分析轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)在不同工況下可能出現(xiàn)破壞的概率，繼而可以在以后的設(shè)計過程中著重加強。上海材料研究所的董鴻琳等[7]利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡等工具查看并分析了某型失效轉(zhuǎn)向節(jié)的宏觀及微觀狀態(tài)下的斷裂截面組織形態(tài)，分析結(jié)果表明造成此轉(zhuǎn)向節(jié)失效的直接原因是疲勞破壞；重慶大學(xué)的馮大碧等[8]利用掃描電鏡檢查了某型客車左前輪位置的失效轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂截面的金相組織，分析得出該轉(zhuǎn)向節(jié)屬于早期疲勞斷裂的結(jié)論，同時認(rèn)為造成該轉(zhuǎn)向失效的主要原因為表面強度不足且存在一定程度上的加工缺陷；合肥工業(yè)大學(xué)的江迎春等[9]利用有限元分析軟件ANSYS分析計算了靜載荷作用下某型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)幾何模型的應(yīng)力強度，并根據(jù)此材料的S-N關(guān)系圖曲線，借助于名義應(yīng)力法計算出該型號轉(zhuǎn)向節(jié)幾何模型理論條件下的疲勞壽命。 針對轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞損傷破壞方面的研究工作，一些國外學(xué)者通過不同方式獲得了可靠的疲勞仿真數(shù)據(jù)，并以此估算了轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命，并針對性的提出了詳細(xì)的改進(jìn)建議，他們甚至還利用了可靠性優(yōu)化設(shè)計的方法，以有限元分析軟件為工具，分析研究了一定載荷作用下的長桿類轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命。英國學(xué)者Peter J.Heyes等[10]利用MSC.Fatigue軟件對某型轉(zhuǎn)向節(jié)在一定載荷作用條件下的疲勞特性進(jìn)行了分析；美國學(xué)者M(jìn)ehrdad Zoroufi[11]分析了不同的加工制造方法給轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞特性帶來的影響，獲得了采用鍛造方法加工制造的轉(zhuǎn)向節(jié)性能較好的結(jié)論并嘗試了對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對性的改進(jìn)優(yōu)化；比利時學(xué)者Robertod Ippolito等[12~13]采用可靠性的優(yōu)化方法研究了轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞特性。 通過上述介紹的有關(guān)轉(zhuǎn)向節(jié)研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)方面開展的研究趨勢可以概括為： (1) 加工制造方法 得益于擠壓工藝的日益成熟以及顯著的優(yōu)點，其已逐漸替代轉(zhuǎn)向節(jié)傳統(tǒng)加工制造的鍛造工藝，并在制造過程中引入數(shù)值方法來分析可能出現(xiàn)的缺陷等；除此以外，一些其他的新方法和新的制造工藝也逐漸開始被嘗試應(yīng)用于轉(zhuǎn)向節(jié)的加工制造領(lǐng)域。 (2) 強度及使用壽命等 大量的學(xué)者利用金相檢查和化學(xué)分析等方法對失效的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行檢查，分析了導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)出現(xiàn)強度失效的原因，得出了疲勞斷裂是造成轉(zhuǎn)向節(jié)強度失效最重要原因的結(jié)論，因此，針對轉(zhuǎn)向節(jié)強度及使用壽命的研究，不再是單純的進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力的分析，而是分析轉(zhuǎn)向節(jié)的動態(tài)特性，不僅僅是單純要求滿足靜強度條件，而是要求滿足疲勞強度條件。 (3) 研究分析方法 受益于計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前有關(guān)轉(zhuǎn)向節(jié)的分析計算工作，主要是采用有限元法等數(shù)值計算方法而很少采用傳統(tǒng)材料力學(xué)梁彎曲理論的近似計算，與此同時，以這些數(shù)值計算方法為基礎(chǔ)，在將有限元疲勞仿真引入疲勞強度的研究后，極大地提高了轉(zhuǎn)向節(jié)分析計算工作的效率和精度。 (4) 優(yōu)化設(shè)計 查閱現(xiàn)有資料，不難發(fā)現(xiàn)目前從事有關(guān)轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計工作主要還停留在如何改進(jìn)優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)的加工制造方法，而對于如何優(yōu)化其結(jié)構(gòu)的研究工作卻是少之又少，分析其原因主要是因為轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜且類型多樣，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化難度系數(shù)大。令人高興的是，近些年來，國內(nèi)外的研究人員對于如何優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)這一課題正逐漸表現(xiàn)出濃厚的興趣，因此，有關(guān)該課題的相關(guān)研究必將成為轉(zhuǎn)向節(jié)研究的又一關(guān)鍵突破。 33 第2章 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2.1 轉(zhuǎn)向節(jié)具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇 本文選取了某一款轎車的前軸轉(zhuǎn)向節(jié)作為研究對象，轎車的整體參數(shù)見表2.1。 表2.1 整車參數(shù)表 參數(shù) 符號 單位量綱 數(shù)值 整車質(zhì)量（滿載） 1290 前軸靜載（滿載） 765 軸距 2607 前輪輪距 1464 重心到后軸的距離 1450 重心高度（滿載） 680 重心高度（空載） 758 輪胎滾動半徑 288 動載系數(shù) 無量綱 2.65 地面附著系數(shù) 無量綱 0.75 側(cè)向滑移附著系數(shù) 無量綱 1 制動時前軸重量轉(zhuǎn)移系數(shù) 無量綱 1.5 本文所研究的轎車前軸轉(zhuǎn)向節(jié)為上述轎車雙橫臂式懸架結(jié)構(gòu)的一個構(gòu)成零件，如下圖2.1所示。與雙叉臂式懸架相近似，雙橫臂式懸架只是在構(gòu)造上相對的比較簡單，所以它又被成為“簡化版的雙叉臂式懸架”。因為雙叉臂式懸架的橫向剛度比較大，所以一般采取上下不等長的搖臂設(shè)置，雙橫臂式懸架也采取類似的設(shè)計，但是與雙叉臂式懸架所不同的是，因為有的雙橫臂的上下臂無法起到縱向?qū)虻淖饔?，因此還需要另外加一套拉桿導(dǎo)向設(shè)計。 圖2.1 轎車雙橫臂式懸架 2.2 汽車行駛典型工況簡介 汽車在行進(jìn)過程中，相互接觸的不同零部件之間會產(chǎn)生力的作用，轉(zhuǎn)向節(jié)亦是如此，會受到來自底盤內(nèi)不同零部件間的接觸力作用，但又不限于此，汽車轉(zhuǎn)向時來自轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用力、通過輪胎傳遞過來的地面的支承力、沖擊力與滾動阻力（矩）以及汽車制動時由剎車裝置傳遞過來的制動力（矩）等各種載荷，不過通過研究這些載荷的特性后發(fā)現(xiàn)，所有這些載荷可以歸類為兩類，一類是因汽車前懸架簧載自身具有重力而產(chǎn)生的靜載，另一類則是在因行進(jìn)過程中汽車具有慣性而產(chǎn)生的動載。參考《汽車設(shè)計手冊》的相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)汽車在行進(jìn)過程中經(jīng)歷的三種危險工況（即三種典型工況）逐一計算轉(zhuǎn)向節(jié)的具體承載狀態(tài)，由于載荷大小、分布比較復(fù)雜，故在計算中均使用名義計算載荷。 汽車在行進(jìn)過程中經(jīng)歷的三種典型工況分別為： (1) 越過不平路面工況 此時的轉(zhuǎn)向節(jié)主要承受來自地面的沖擊載荷； (2) 緊急制動工況 此時的轉(zhuǎn)向節(jié)主要承受來自地面的縱向沖擊載荷以及汽車的慣性載荷； (3) 轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況 此時的轉(zhuǎn)向節(jié)主要承受來自地面的橫向沖擊載荷。 2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)受力分析 如圖2.2所示，R為開設(shè)于上下控制臂用于安裝主銷的通孔，O為設(shè)計的坐標(biāo)原點，汽車的車輪半徑為288 mm，汽車在行進(jìn)過程中，車輪會受到與行進(jìn)方向相反的縱向力、與轉(zhuǎn)向節(jié)軸平行的側(cè)向力、與地面對輪胎的反作用力，的作用方向垂直于紙面向外，的作用方向垂直于地面。由于車輪有一定厚度，因此此處取車輪寬度方向上的中心位置作為受力中心，其與設(shè)計的坐標(biāo)原點O之間的距離為110 mm，不同工況下車輪的受力大小、、是明顯是不同的。 圖2.2 轉(zhuǎn)向節(jié)受力分析圖 經(jīng)歷第一種工況（即越過不平路面工況）時，汽車車輪主要承受來自地面的脈沖力的作用，即此時車輪受到作用；經(jīng)歷第二種工況（即緊急制動工況）時，前輪主要承受制動力以及來自地面的垂直反力作用，即此時前輪受及作用，從而使轉(zhuǎn)向節(jié)受集中力和受到彎矩的作用；經(jīng)歷第三種工況（即轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況）時，內(nèi)側(cè)車輪處受來自地面的垂直反力為零，即此時整個前軸受作用于外側(cè)車輪上的來自地面的垂直反向力，無縱向力作用，車輪受、作用。后續(xù)的研究工作中即針對這三種工況。 (1)越過不平路面工況 在承受沖擊載荷作用時，轉(zhuǎn)向節(jié)承受來自地面的垂直載荷 ，在該工況下： N 式中：為動載系數(shù)，為前軸靜載（滿載） (2)緊急制動工況 汽車經(jīng)歷緊急制動時，前輪承受由制動產(chǎn)生的來自地面的垂直反力以及切向反力，使轉(zhuǎn)向節(jié)承受集中力和彎矩。 地面垂直反力： N 制動力： N 式中：為制動時前軸重量轉(zhuǎn)移系數(shù)，為前軸靜載（滿載），為地面附著系數(shù) (3)轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況 汽車在經(jīng)歷轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況時，內(nèi)側(cè)車輪承受的來自地面的垂直反力為零，整個前軸受作用于外側(cè)車輪上的來自地面的垂直反力，因此外側(cè)車輪承受的來自地面的垂直反力等于前軸靜載荷。 外側(cè)車輪上的最大地面垂直反力： =7378.425 N 外側(cè)車輪上的最大側(cè)向力： N 式中：為前軸靜載（滿載），為重心高度（滿載），為側(cè)向滑移附著系數(shù)，為前輪輪距 為便于查看，將上述計算結(jié)果匯總于表2.2。 表2.2 三種典型工況計算載荷 工況 載荷類型 載荷符號 計算數(shù)值 單位 越過不平工況 垂直載荷 10136.25 N 緊急制動工況 垂直載荷 5737.5 N 縱向載荷 4303.125 N 轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況 垂直載荷 7378.425 N 側(cè)向載荷 7378.425 N 第4章 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元分析 3 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的模型建立 3.1 Pro/Engineer軟件簡介 作為一款三維制圖軟件，Pro/Engineer集CAD/CAM/CAE功能為一體，其經(jīng)由美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)研制開發(fā)，是最先應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)的繪圖軟件，并在目前的三維軟件領(lǐng)域中獲得了絕大多數(shù)的市場份額。Pro/Engineer作為一款主流的CAD/CAM/CAE軟件，以新標(biāo)準(zhǔn)身份引領(lǐng)著整個領(lǐng)域，并獲得業(yè)界的普遍認(rèn)可以及大力推廣，尤其是在國內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域中具有無可替代的影響。 Pro/Engineer首次提出了參數(shù)化的設(shè)計概念，為解決特征的相關(guān)性問題以及保證用戶能夠自定義選擇需要安裝的模塊，其采用了不同于其他同類軟件的單一數(shù)據(jù)庫以及模塊化的設(shè)計理念。依賴基于特征這一方法，Pro/Engineer能夠做到將產(chǎn)品的設(shè)計、畫圖、生產(chǎn)、組裝等全過程集成到一起，從而實現(xiàn)真正的并行工程設(shè)計，而且Pro/Engineer不僅可以應(yīng)用于工作站，也可以將其應(yīng)用到單機(jī)上。 Pro/Engineer采用了模塊化的設(shè)計理念，使得用戶擁有高度的自由支配權(quán)，可以按照自身需要而進(jìn)行選擇，用戶不僅可以獨立進(jìn)行草圖繪制、零件創(chuàng)建，同時還可以進(jìn)行零件裝配、鈑金加工等其他的一系列操作。它具有下面三個比較典型的特征[14]： (1)參數(shù)化設(shè)計 在一定程度上，我們可以將產(chǎn)品視為幾何模型，而無論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜的幾何模型，我們都可以將其分解成一定數(shù)量可以用有限的參數(shù)完全約束的構(gòu)成特征，這就是參數(shù)化的基本概念。 (2)基于特征建模 Pro/Engineer是一套基于特性的實體模塊化系統(tǒng)，用戶在創(chuàng)建產(chǎn)品的幾何模型特征時，均是以具有智能特性的基于特征的功能為基礎(chǔ)，從而可以任意改變草圖，進(jìn)而隨意更改模型，此功能特性為用戶提供了方便靈活的設(shè)計體驗。 (3)單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)） 不同于其他傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)，Pro/Engineer建立在一套統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫上，單一數(shù)據(jù)庫的概念就是工程中的所有原始資料均來自同一個庫。換句話說，就是在產(chǎn)品設(shè)計過程中，當(dāng)任何一部分發(fā)生變動時，均可以實時反映在原設(shè)計的相對應(yīng)環(huán)節(jié)上。比如，若一份工程詳圖發(fā)生改變，相對應(yīng)的NC（數(shù)控）工具路徑就會立即更新；若裝配總圖出現(xiàn)一絲一毫的改變，對應(yīng)的三維裝配模型也會出現(xiàn)與改變相匹配的實時刷新。此特點有助于使得設(shè)計最優(yōu)化，以保證在價格更便宜的同時也能夠獲得質(zhì)量更高的成品。 3.2 Pro/Engineer軟件建模 因為轉(zhuǎn)向節(jié)需與上、下控制臂以及輪邊減速器的傳動軸相連接，所以在本文所研究的轉(zhuǎn)向節(jié)上開設(shè)有若干用于安裝銷軸的通孔，同時在該轉(zhuǎn)向節(jié)軸的中心位置開設(shè)有輪胎自充氣孔等機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造環(huán)節(jié)，通常將其分為兩個部分分別進(jìn)行成型：支撐軸和轉(zhuǎn)向節(jié)，且使用螺紋連接的形式將轉(zhuǎn)向節(jié)軸和轉(zhuǎn)向節(jié)體兩者連接起來，之后再進(jìn)行焊接以保證兩者之間的連接強度。在Pro/Engineer軟件中創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)幾何模型過程如下圖3.1所示： （1） 打開Proe軟件，點擊文件中的新建，選擇草繪 （2） 進(jìn)行第一步草繪和拉伸，如圖3.1（a）所示 圖3.1 （a）草繪和拉伸 （3） 進(jìn)行圓柱的草繪和拉伸，如圖3.1（b）所示 圖3.1（b）圓柱的草繪和拉伸 （4） 以側(cè)面為基準(zhǔn)，進(jìn)行草繪和拉伸，如圖3.1（c）所示 圖3.1（c）草繪和拉伸 （5） 以圓柱側(cè)面為基準(zhǔn)進(jìn)行草繪和拉伸，如圖3.1（d）所示 3.1（d）草繪和拉伸 （6） 以圓柱底面為基準(zhǔn)，創(chuàng)建凸臺，如圖3.1（e）所示 3.1（e）凸臺拉伸 （7） 進(jìn)行鉆孔、倒圓角、切割，如圖3.1（f），3.1（g）所示 3.1（f）鉆孔 3.1（g）切割 （8） 最后成型圖3.1（h）所示 3.1(h)轉(zhuǎn)向節(jié)三維圖 4 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元分析 4.1 有限元法和ANSYS分析軟件 4.1.1 有限元法概述 在汽車設(shè)計的前期階段，主要采用輔助以科學(xué)實驗的經(jīng)驗設(shè)計方式，但由于此類傳統(tǒng)設(shè)計方式不僅勞動強度高、效率低而且還存在一定程度的不可靠性或材料浪費，伴隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）自然而然的成為了當(dāng)代汽車設(shè)計的首選方式，且包括初期的概念設(shè)計到后期的測試、開發(fā)、優(yōu)化、整車裝備等一系列設(shè)計的全過程已經(jīng)全部引入了計算機(jī)輔助工程分析（CAE），從而在極大程度上縮短了研發(fā)的時間、降低了開發(fā)成本、優(yōu)化了設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，提升了整車的質(zhì)量水平[15]。由于通過運用材料力學(xué)、彈性力學(xué)等力學(xué)知識求解的經(jīng)典解析方法作了較多的簡化和假設(shè)，因此其注定只能應(yīng)用于一些簡單問題的求解，而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程，求解過程便會變得異常困難。在經(jīng)典解析方法之外還有一種數(shù)值計算方法，它借助于計算機(jī)這一生產(chǎn)力工具，在充分考慮到各種實際情況時，能夠以極高的效率和精度得到滿足工程精度要求的近似數(shù)值解。正因為數(shù)值方法和數(shù)值解能夠在獲得滿足工程精度要求的近似數(shù)值解的同時，還便于實現(xiàn)計算機(jī)計算，因此它已成為了現(xiàn)代工程分析和設(shè)計中采用的最優(yōu)求解工具。有限元法就是諸多數(shù)值計算方法應(yīng)用最為普遍的一種，且在汽車設(shè)計中其已經(jīng)被證明是一種最為成功的近似分析方法。 有限元法最早于20世紀(jì)中葉出現(xiàn)，它采用離散的設(shè)計概念，在使用若干個有限元組成的集合體對彈性連續(xù)體進(jìn)行替代后，通過尋找一種泛函變分形式，該泛函變分形式等價于原連續(xù)體場，最后求解由此獲得的代數(shù)方程組得到需要的數(shù)值解。由于對求解連續(xù)介質(zhì)和場問題具有極其廣泛的適用性，有限元法已經(jīng)成為力學(xué)和工程計算領(lǐng)域里最常用的工具，通過近50年來的迅猛發(fā)展，有限元法成為結(jié)構(gòu)分析中最成功、最廣泛、最普遍的分析方法。 有限元法的本質(zhì)其實是將原先具有無窮個自由度的連續(xù)體用有限個單元的集合來替代，因為單元與節(jié)點配置比較多變、靈活，所以它能夠通過處理不同的邊界條件來解決相對較為復(fù)雜的工程問題。有限元法中的單元類型有線（一維）、面（二維）以及實體（三維）三種，單元與單元之間通過共享節(jié)點（一般位于單元的邊界上）進(jìn)行連接。分別假設(shè)一個簡單的位移函數(shù)來近似模擬每一個單元的位移分布規(guī)律，并通過虛擬原理得到每個單元的平衡方程，即可創(chuàng)建單元節(jié)點上力和位移之間的關(guān)系。之后整合每個單元節(jié)點上力與位移之間的關(guān)系，即可創(chuàng)建整個物體的平衡方程組。最后在添加邊界條件后，解該方程組，計算出節(jié)點位移和各單元的應(yīng)力。圖4.1總結(jié)了有限元法的分析流程。 圖4.1 有限元法的流程 通過上述有關(guān)有限元法的簡單論述，可以得知有限元法與解析法不同的是前者通過在力學(xué)模型上采取分塊近似的求解理念，避免求解微分方程，從而具備普遍適應(yīng)性。因此，有限元法具有以下三條優(yōu)點： (1) 物理概念清晰，容易理解及掌握； (2) 適應(yīng)能力強，應(yīng)用范圍廣； (3) 易于編寫相關(guān)的計算機(jī)程序與應(yīng)用軟件。 4.1.2 ANSYS軟件介紹 伴隨著大型集成化通用軟件的普及與推廣，為工程人員帶來了福音，他們不必自行編寫軟件而可以直接選擇所需的有限元分析軟件。近幾十年來，有限元軟件市場分分合合，逐漸形成以ANSYS、MSC、ABAQUS三大軟件公司為龍頭的三足鼎立局面，其各自的產(chǎn)品ANSYS、NASTRAN、ABAQUS已經(jīng)占有世界范圍內(nèi)60%-70%的市場份額且依然在不斷擴(kuò)大 [16]。其中，以美國ANSYS公司推出的產(chǎn)品ANSYS為代表，其先進(jìn)的多物理場耦合分析技術(shù)一直保持業(yè)界絕對領(lǐng)先地位，它不但集成了力學(xué)、流體力學(xué)、電學(xué)等多個常用模塊，乃至還包括聲學(xué)和熱學(xué)模塊。自推出以來，歷經(jīng)各版本，ANSYS公司始終致力于完善該分析軟件。最新版本的ANSYS軟件延續(xù)了強大的耦合場技術(shù)，ANSYS供給的先進(jìn)技術(shù)能夠提供電磁場仿真和電路仿真之間的無縫鏈接。另外，為了能夠方便將電源和信號完整性分析集成到主流設(shè)計流程中，ANSYS提供了全新的自動化用戶定制設(shè)計流程以及高級容差電磁場求解器。ANSYS ECAD設(shè)計流程功能強大，可以支持由封裝、電路板、連接器和IC插槽構(gòu)成的電子系統(tǒng)的端到端仿真。自動化流程能夠減少相對耗時的手動設(shè)置和由此造成的一系列誤差，并且它還有簡化系統(tǒng)成品測試標(biāo)準(zhǔn)生成和系統(tǒng)驗證工作的作用。以其先進(jìn)性、可靠性、開放性等優(yōu)勢，ANSYS于1995年在分析設(shè)計類軟件中首次通過ISO9001國際認(rèn)證，在相繼收購了ICEM、CFX、等著名有限元分析軟件公司后， ANSYS實際上已成為最通用、有效的商用有限元軟件[17]。 ANSYS有限元分析過程可以劃分為三個步驟：前處理、求解和后處理，分別對應(yīng)于主菜單中的Preprocessor（前處理器）、Solution（求解器）和Postprocessor（后處理器），其中，Postprocessor包含用于穩(wěn)態(tài)分析的General Postprocessor（通用后處理器）和瞬態(tài)分析的TimeHist Postprocessor（時間歷程后處理器）兩類。 (1) Preprocessor：主要用于幾何模型創(chuàng)建、材料定義、單元類型選擇和網(wǎng)格劃分，ANSYS11.0提供了大約200種單元類型，具有強大的實體建模工具以及網(wǎng)格劃分工具。 (2) Solution：主要用于選擇分析類型、添加約束、施加載荷及選擇求解選項，最后執(zhí)行求解，得到求解結(jié)果文件。 (3) Postprocessor：包含General Postprocessor（通用后處理器）和TimeHist Postprocessor（時間歷程后處理器）兩類，主要用于求解所得結(jié)果文件中結(jié)果數(shù)據(jù)的分析處理。 4.2 建立實體模型 通過第三方繪圖軟件建立的模型，在導(dǎo)入ANSYS后往往會提示某些特征出現(xiàn)錯誤，而且一些對受力基本無影響的特征，在劃分網(wǎng)格時只會白白增添節(jié)點和單元數(shù)，浪費電腦資源，所以，在Pro/Engineer軟件中創(chuàng)建幾何模型后，需對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?。在簡化過程中，需遵循以下兩個原則： (1) 代替或刪除連接件中的次要特征。 (2) 忽略加工工藝中的次要特征。 按照上述兩個原則，簡化后的轉(zhuǎn)向節(jié)幾何模型如圖4.2所示，在將.prt格式文件轉(zhuǎn)為.IGES格式文件后，導(dǎo)入ANSYS軟件中。 (a) 一般視角1 (b) 一般視角2 圖4.2 簡化的轉(zhuǎn)向節(jié)幾何模型 4.3 定義材料屬性 本文中，轉(zhuǎn)向節(jié)選用優(yōu)質(zhì)的中碳合金鋼40Cr為材料，描述一種金屬材料屬性的物理量主要包括：密度、彈性模量、泊松比、許用強度極限、屈服極限等， 40Cr材料的各物理量具體參數(shù)見表4.1所示[18]。 表4.1 材料屬性表 材料名稱 彈性模量(GPa) 泊松比 密度(kg/m3) 強度極限(MPa) 屈服極限(MPa) 40Cr 206 0.3 7850 940 750 4.3(a) 4.3(b) 圖4.3定義材料屬性 在圖4.3(a)中，輸入彈性模量：2.06e11，泊松比:0.3;在圖4.3(b)中輸入密度：7850. 4.4 定義單元與網(wǎng)格劃分 由于Shell殼單元并不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的轉(zhuǎn)向節(jié)，因此此處為其選擇Solid實體單元。ANSYS軟件中常用的Solid單元有Solid45和Solid92，如圖4.4（b）所示，其中，Solid45單元屬于具有8個節(jié)點的方塊單元，每個節(jié)點具有X、Y、Z軸三個方向上的位移自由度，且Solid45單元退化后能夠轉(zhuǎn)變成具有4個節(jié)點的四面體單元或6個節(jié)點的三棱柱單元；而Solid92單元屬于具有10個節(jié)點的四面體單元，因該單元中含有邊中節(jié)點，故對于不規(guī)則模型具有較強的適應(yīng)能力，本文選用Solid92單元。如圖4.4（a）所示： 4.4（a）定義單元 圖4.4（b） Solid45單元與Solid92單元示意圖 選定單元類型后，便可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因為轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，難以采用軟件提供的映射網(wǎng)格劃分和掃掠來網(wǎng)格劃分方法，而比較適合采用不存在單元形狀限制的自由網(wǎng)格劃分方式，所以本文采取自由網(wǎng)格劃分方法對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 圖4.4（c）網(wǎng)格劃分 單擊圖4.4（c）中Pick All按鈕，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。網(wǎng)格劃分完成后的轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型如圖4.4（d）所示，該模型共有10675個節(jié)點，5086個單元。 (1) 轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)格劃分視角1 (2) 轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)格劃分視角2 圖4.4（d） 轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)格劃分 4.5 邊界條件處理 本文研究的轉(zhuǎn)向節(jié)上、下端需要分別與懸架的上、下控制臂相連接，而伸出的長桿則需要與前輪輪轂連接，按上述連接類型對轉(zhuǎn)向節(jié)添加約束，并施加對應(yīng)工況下的載荷。 4.6 轉(zhuǎn)向節(jié)靜強度分析 為了判斷轉(zhuǎn)向節(jié)是否會出現(xiàn)斷裂破壞，需要對比不同工況下轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)部的最大應(yīng)力與使用材料的強度極限，即對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行強度分析。 根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的動力學(xué)通用方程為： （4-1） 式中，是質(zhì)量矩陣；是阻尼矩陣；是剛度矩陣；是位移矢量；是力矢量；是速度矢量；是加速度矢量。而現(xiàn)行結(jié)構(gòu)分析中，與時間相關(guān)的量都將被忽略，于是上式簡化為： （4-2） 根據(jù)第二章第三節(jié)有關(guān)三種工況下的受力計算，修改本章第五節(jié)中邊界條件依次進(jìn)行有限元靜強度分析，圖4.5至圖4.13分別為三種工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的變形圖、應(yīng)變圖及應(yīng)力圖。 4.6.1 越過不平路面工況 轉(zhuǎn)向節(jié)承受來自地面的垂直載荷Fz=10136.25N,在軸面上添加約束和力。 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視角2 圖4.5 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖 由圖4.5轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視可以看出，最大變形主要集中在軸面上，其頂端變形最大，最大變形為0.126 mm。 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖視角2 圖4.6 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖 由圖4.6轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)變?yōu)?.845 mm (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖視角2 圖4.7 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖 由圖4.7轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力主要集中于軸與前輪輪轂交接處，最大應(yīng)力為169.06MPa 由圖4.5至圖4.7可知，當(dāng)汽車越過不平路面時，轉(zhuǎn)向節(jié)最大變形量為0.126 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.845 mm，最大應(yīng)力為169.06 MPa<750 MPa，轉(zhuǎn)向節(jié)是安全的。 4.6.2 緊急制動工況 轉(zhuǎn)向節(jié)承受垂直載荷Fz=5737.5N,縱向載荷Fx=4303.125N，在軸面上添加約束和力Fz，轉(zhuǎn)向拉臂上添加約束和力Fz。 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視角2 圖4.8 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖 由圖4.8轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視可以看出，最大變形主要集中在軸面和轉(zhuǎn)向拉臂上，軸面頂端變形最大，最大變形為0.209 mm。 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖視角2 圖4.9 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖 由圖4.9轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)變?yōu)?.617 mm (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖視角2 圖4.10 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖 由圖4.10轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力主要集中于軸面與輪轂的交接處，最大應(yīng)力為123.36 MPa 由圖4.8至圖4.10可知，當(dāng)汽車緊急制動時，轉(zhuǎn)向節(jié)最大變形量為0.209 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.617 mm，最大應(yīng)力為123.36 MPa<750 MPa，轉(zhuǎn)向節(jié)是安全的。 4.6.3 轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況 ，轉(zhuǎn)向節(jié)承受垂直載荷Fz=7378.425N，側(cè)向載荷Fy=7378.425N，在軸面上添加約束和力Fz，轉(zhuǎn)向拉臂上添加約束和力Fz。 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視角2 圖4.11 轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖 由圖4.8轉(zhuǎn)向節(jié)變形圖視可以看出，最大變形主要集中在伸出的軸面和轉(zhuǎn)向拉臂上，長桿頂端變形最大，最大變形為0.056 mm。 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖視角2 圖4.12 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖 由圖4.9轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變圖可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)變?yōu)?.743 mm (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖視角2 圖4.13 轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖 由圖4.13轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖可知，轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力主要集中于軸面與輪轂的交接處，最大應(yīng)力為148.65 MPa 由圖4.11至圖4.13可知，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向側(cè)滑時，轉(zhuǎn)向節(jié)最大變形量為0.056 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.743 mm，最大應(yīng)力為148.65 MPa<750 MPa，轉(zhuǎn)向節(jié)是安全的。 4.7 轉(zhuǎn)向節(jié)模態(tài)分析 模態(tài)分析根據(jù)分析手段的不同可劃分為計算模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析兩種，前者通過有限元分析等計算方法得到模態(tài)參數(shù)；后者是通過辨認(rèn)試驗收集的輸入與輸出信號得到模態(tài)參數(shù)。 模態(tài)分析的作用主要有：避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振而產(chǎn)生不必要的破壞；有助于理解在不同類型的動力載荷激勵下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；有助于估算求解動力學(xué)分析中的控制參數(shù)。在要求避免產(chǎn)生共振的場合，模態(tài)分析非常有必要，進(jìn)行模態(tài)分析后，可以充分了解機(jī)構(gòu)的固有振動頻率和振型，從而采取針對性的措施，避免造成不必要的財富損失。 針對轉(zhuǎn)向節(jié)的模態(tài)分析其實屬于動力學(xué)范疇，主要是為了得到在不同類型載荷激勵下轉(zhuǎn)向節(jié)的振動特性和規(guī)律，模態(tài)分析為研究轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性奠定了重要的基礎(chǔ)。本文采用計算模態(tài)分析方法，且由于模態(tài)分析與施加的載荷大小、類型無關(guān)，故此處不再區(qū)分工況，圖4.14~圖4.19分別為第一階至第六階的轉(zhuǎn)向節(jié)模態(tài)變形圖。 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)一階變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)一階變形圖視角2 圖4.14 轉(zhuǎn)向節(jié)一階變形圖 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)二階變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)二階變形圖視角2 圖4.15 轉(zhuǎn)向節(jié)二階變形圖 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)三階變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)三階變形圖視角2 圖4.16 轉(zhuǎn)向節(jié)三階變形圖 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)四階變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)四階變形圖視角2 圖4.17 轉(zhuǎn)向節(jié)四階變形圖 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)五階變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)五階變形圖視角2 圖4.18 轉(zhuǎn)向節(jié)五階變形圖 (a) 轉(zhuǎn)向節(jié)六階變形圖視角1 (b) 轉(zhuǎn)向節(jié)六階變形圖視角2 圖4.19 轉(zhuǎn)向節(jié)六階變形圖 表4.2為上述轉(zhuǎn)向節(jié)各階變形頻率表，由表可知，前六階模態(tài)的頻率分別為：第一階607.32 Hz；第二階1069.1 Hz；第三階1325.2 Hz；第四階1684.5 Hz；第五階2033.1 Hz；第六階2101.7 Hz。車輛在怠速時，主要受到來自發(fā)動機(jī)的激勵，其產(chǎn)生的激振一般在20 Hz以上（怠速取700 r/min）；車輛在行進(jìn)時，主要受到來自包括路面、車輪不平衡即傳動軸、發(fā)動機(jī)等激勵，城市道路產(chǎn)生的激振一般小于3 Hz（車速取120 km/h，路面波長取10 m），因車輪不平衡引起的激振一般低于11 Hz（輪胎滾動半徑取950 mm，最高車速取120 km/h），車速為40~70 km/h的傳動軸激振一般在30 Hz以上。通過分析可知，轉(zhuǎn)向節(jié)的第一階至第六階固有頻率遠(yuǎn)大于其所受的外界激勵頻率，由此可以判斷，該轉(zhuǎn)向節(jié)在工作過程中不會發(fā)生共振，該轉(zhuǎn)向節(jié)的扭轉(zhuǎn)及彎曲剛度較為合理且具有較大安全裕度。 表4.2 各階模態(tài)頻率 Tabular Data Mode R Frequency [Hz] 1 1. 607.32 2 2. 1069.1 3 3. 1325.2 4 4. 1684.5 5 5. 2033.1 6 6. 2101.7 4.8 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞分析 零部件失效的主要原因之一是疲勞破壞，而造成零部件發(fā)生疲勞破壞的動載荷主要有：交變載荷和隨機(jī)載荷。普遍應(yīng)用的成熟疲勞設(shè)計方式主要有：名義應(yīng)力疲勞設(shè)計法、局部應(yīng)力應(yīng)變分析法、損傷容限設(shè)計法和耐久性設(shè)計方法，不同的疲勞分析方法需要的材料疲勞特性也有所區(qū)別。若是采用應(yīng)力應(yīng)變疲勞分析法，則需要提前知曉材料的S-N曲線，若采用應(yīng)變疲勞分析法，則需要提前知曉材料的E-N曲線[19]。 汽車在行進(jìn)過程中，受力最大的基本工況即為前文所述的三種典型工況，雖然通過轉(zhuǎn)向節(jié)的靜載有限元分析可知，轉(zhuǎn)向節(jié)能夠滿足工程的強度要求，但由于在實際工作中，轉(zhuǎn)向節(jié)承受的是動態(tài)載荷，所以單一的靜載分析無法充分說明該轉(zhuǎn)向節(jié)是否能夠完全滿足要求。因此，為了確保該轉(zhuǎn)向節(jié)能夠滿足要求，有必要分析動載作用下轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命，圖4.20至圖4.28分別為三種工況下轉(zhuǎn)向節(jié)安全因子顯示云圖、疲勞壽命顯示云圖及疲勞壽命曲線圖。 4.8.1 越過不平路面工況 圖4.20 轉(zhuǎn)向節(jié)安全因子顯示云圖 在重復(fù)載荷作用下，平面和軸面上的安全性相對于轉(zhuǎn)向拉臂和減震器固定臺明顯偏低 圖4.22 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命曲線圖 在無數(shù)次循環(huán)次數(shù)下，不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力為5549Pa，即在此應(yīng)力之下，材料不會發(fā)生疲勞斷裂，符合要求。 4.8.2 緊急制動工況 圖4.23 轉(zhuǎn)向節(jié)安全因子顯示云圖 在重復(fù)載荷作用下，平面、減震器固定臺上的安全性相對于轉(zhuǎn)向拉臂和軸面明顯偏低 圖4.25 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命曲線圖 在無數(shù)次循環(huán)次數(shù)下，不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力為15323Pa，即在此應(yīng)力之下，材料不會發(fā)生疲勞斷裂，符合要求。 4.8.3 轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況 圖4.26 轉(zhuǎn)向節(jié)安全因子顯示云圖 在重復(fù)載荷作用下，平面、軸面頂端和減震器固定臺上的安全性相對于轉(zhuǎn)向拉臂和軸面底端明顯偏低 圖4.28 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命曲線圖 在無數(shù)次循環(huán)次數(shù)下，不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力為15323Pa，即在此應(yīng)力之下，材料不會發(fā)生疲勞斷裂，符合要求。 由上述三種工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的安全因子顯示云圖、疲勞壽命曲線，可得出該轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞強度可以達(dá)到設(shè)計要求的結(jié)論。 第5章 結(jié)論 5 結(jié) 論 作為一個重要的汽車底盤零件，轉(zhuǎn)向節(jié)主要功能是帶動前輪實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向并承受來自汽車前部的載荷。通過強度分析、模態(tài)分析及疲勞分析，可知該轉(zhuǎn)向節(jié)滿足工程上的強度所需要求。本文主要的工作內(nèi)容和結(jié)論如下： (1) 介紹了國內(nèi)外有關(guān)轉(zhuǎn)向節(jié)的研究現(xiàn)狀； (2) 完成轉(zhuǎn)向節(jié)的三維建模； (3) 對轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車行進(jìn)過程中經(jīng)歷的三種典型工況（越過不平路面、緊急制動、轉(zhuǎn)向側(cè)滑）下的受力進(jìn)行了分析，并根據(jù)參數(shù)求得了不同工況下的計算載荷，同時借助于ANSYS結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊獲得了三種典型工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的變形、應(yīng)變和應(yīng)力云圖，分析了各工況下轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力分布； (4) 簡單闡述了模態(tài)分析理論，并借助于ANSYS模態(tài)分析模塊對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了轉(zhuǎn)向節(jié)第一階至第六階的頻率及模態(tài)變形圖。 附錄 參考文獻(xiàn) [1] 王紅衛(wèi)，韓國立.基于ANSYS的礦用汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性分析[J].煤礦機(jī)械，2007，28(4)：109-111. 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