7180型轿车转向节有限元的分析毕业论文.doc

目 录 摘 要 2 ABSTRACT 3 1 引言 4 2 前述 6 2 1 ANSYS 软件简介 6 2 1 1 有限元法简介 6 2 1 2 ANSYS 软件功能和技术特点功能 6 2 1 3 ANSYS 在机械工业中的应用 8 2 2 课题概述 8 2 3 7180 型轿车的参数 11 2 4 转向节的受力分析及其计算 12 2 4 1 转向节受力分析 12 2 4 2 转向节受力计算 12 3 有限元分析过程 15 3 1 转向节有限元模型的建立 15 3 2 转向节有限元线性分析 16 3 2 1 紧急制动工况 16 3 2 2 侧滑工况 19 3 2 3 越过不平路面工况 25 结 论 30 致 谢 31 参考文献 32 7180 型轿车转向节有限元分析 摘 要 转向节是汽车转向系统的重要结构件 它承受转向轮的负载以及路面通 过转向轮传递来的冲击 同时还传递来自转向器的转向力实现对汽车行 驶方向的控制 因此对其在强度 抗冲击性 疲劳强度以及可靠性方面 都有很高的要求 以 7180 型轿车转向节为例 根据给定车型的结构特点 和转向节的相关结构参数 分析其受力情况 然后在紧急制动工况 侧 滑工况 越过不平路面工况这三种工况下进行有限元分析计算 找出其中 最薄弱的环节并提出相应的结构修改措施 关键词 转向节 有限元 强度 分析 Abstract Steering knuckle is an important structural element of vehicle steering system It is to bear the load and the impact of road that passing through the steering wheel And also transfer power from the steering gear in order to control the direction of car Therefore its strength impact resistance fatigue strength and reliability requirements are high For example the 7180 cars steering knuckle according to the structural characteristics of a given model and related structural parameters of steering knuckle to analyze the force performed finite element analysis and calculation in emergency braking conditions sideslip condition over the uneven road surface condition of these three condition Find out the weakest link and bring forward the corresponding measures for the structural changes Keywords knuckle finite element analysis strength analysis 1 引 言 随着国民经济的蓬勃发展 汽车以一跃成为当前极为重要的交通工具 由于现 代社会对环境保护及能源越来越重视 各个汽车制造公司都在研制生产能源消耗少 污染小甚至无污染的新型汽车 改进汽车设计 特别是改进汽车结构件的设计以及 采用可以减轻汽车的总质量而又不影响汽车的可靠性 舒适性 操纵稳定性和车身 内部空间的新材料是解决这一问题的重要途径 长期以来 汽车产品的结构设计都 是建立在经验的积累和大量的实验数据的基础上的 虽然有一些理论的分析方法 但却难以应用到复杂的汽车结构设计中 随着汽车更新速度的逐步加快和开发周期 的日益缩短 以及对低能耗环保汽车的要求 结构工程师需要采用现代汽车设计方 法及技术来进行汽车产品的开发 本次毕业设计的主要目的是为了让我们对汽车零部件的更深层次了解 对现代 汽车设计方法及技术来进行汽车产品的开发的了解 更是让我们对本科四年来所学 知识的一个巩固和综合运用 一方面为我们在今后的学习中培养独立自学的能力 另一方面为我们在将来的工作和发展前途中打下良好的坚实的技术基础 随着改革开放以来 中国汽车业的不断发展和完善 桑塔纳这个由德国大众命 名的车系在竞争激烈的世界汽车市场上刮起旋风 这就像他的名字一样 桑塔纳 是美国峡谷的一种飓风的名称 从 1983 年第一辆桑塔纳诞生到 1994 年桑塔纳 2000 投放市场再到 2004 年桑塔纳 3000 的上市 这些都是桑塔纳轿车质的飞跃 在 2003 年全国轿车产销量超过了 195 万辆 而上海大众再次占据头把交椅 以破记录的 39 6 万辆的年销量和破记录的 40 万辆的产量继续领跑中国汽车市场 桑塔纳的性能价 格比更是成为市场上重实惠 重性能的用户的首选 在其企业的产品销量中占到半 壁江山 成为企业维护市场份额的重要基石 在 2004 桑塔纳 3000 的上市中 上海 大众更是推出了经典 舒适 豪华手动挡和自动挡 5 款车型供客户选择 与此同汽 车业的竞争压力也愈加剧烈 舒适 安全 环保 节能成为汽车的时代主题 就安 全性能方面来讲 越来越多的试验和分析软件被使用到汽车的性能检测上来 目前 而言轿车生产厂商在生产轿车时都会对其零部件进行静强度设计分析 以确保零件 的安全性能 另外 轿车在行驶过程中 零部件要受到各种交变载荷 在这种交变 载荷的反复作用下 会发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂 这就是疲劳破坏 在 技术改进和研究开发中 了解这种破坏形式对车辆零部件的强度影响作用具有极其 重要的意义 因此 ANSYS 软件在汽车零部件的强度分析中被广泛使用 目前国内外 汽车的零部件均采用有限元分析的方法验证其在各种工况下的可靠性 在进行 7180 型轿车转向节有限元分析毕业设计的过程中 我首先体验了搜集 资料的重要性 而后我认识到应熟悉使用 CATIA 和 UG 等软件进行实体造型的过程 最重要的是熟悉利用 ANSYS 软件进行有限元分析的应用 掌握对转向节等重要结构 件进行结构分析的过程 并且找出其薄弱环节 提出优化和改进其结构的措施以提 高它的强度和刚度 这不仅能够提高转向节的性能 更加能够提高整个汽车的质量 和安全性能 由于我的水平有限 设计中存在缺陷和错误在所难免 敬请广大读者以及业内 人士专家批评指正 2 前 述 2 1 ANSYS 软件简介 2 1 1 有限元法简介 有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成 这些单元仅在有限个节点 上相连接 亦即用有限个单元的集合来代替原来具有有限个自由度的连续体 由于 有限单元的分割和节点的配置非常灵活 它可适应于任意复杂的几何形状 处理不 同的边界条件 单元有各种类型 包括线 面和实体或称为一维 二维和三维等类 型单元 节点一般都在单元边界上 单元之间通过节点连接 并承受一定载荷 这 样就组成了有限单元集合体 在此基础上 对每个单元假设一个简单的位移函数来 近似模拟其位移分布规律 通过虚位移原理求得每个单元的平衡方程 即是建立单 元节点力和节点位移之间的关系 最后把所有单元的这种特殊关系集合起来 就可 建立整个物体的平衡方程组 考虑边界条件后解此方程组求得节点位移 并计算出 个单元应力 有限元的基本思想是 分与合 分是为了划分单元 进行单元分析 合则是 为了集合单元 对整体结构进行综合分析 无论对什么样的结构 有限元分析过程 都是类似的 基本步骤为 1 研究分析结构的特点 包括结构形状与边界 载 荷工况等 2 将连续体划分成为有限单元 形成计算模型 包括确定单元类型 与边界条件 材料特性等 3 以单元节点位移作为未知量 选择适当的位移函 数来表示单元中的位移 再用位移函数求单元中的应变 根据材料的物理关系 把 单元的应力也用位移函数表示出来 最后将作用在单元上的载荷转化为作用在单元 上的等效节点力 建立单元等效节点力和节点位移的关系 这就是单元特性分析 4 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来 集合成整体的有限元方程 求解节点位移 2 1 2 ANSYS 软件功能和技术特点功能 ANSYS 软件是集结构 热 流体 电磁 声学于一体的大型通用有限元商用分 析软件 可广泛应用于核工业 铁道 石油化工 航空航天 机械制造 能源 电 子 造船 汽车交通 国防工业 土木工程 生物医学 轻工 地矿 水利 日用 家电等一般工业及科学研究 该软件能实现多场及多场耦合功能 集前后处理 分 析求解及多场分析于一体 独一无二的优化功能 唯一具有流场优化功能的 CFD 软 件 具有强大的非线性分析功能 具备快速求解器 最早采用并行计算技术的 FEA 软件 可进行智能网格划分 具有多层次多框架的产品系列 并具备良好的用户开 发环境 ANSYS 软件主要包括三个部分 前处理模块 分析计算模块和后处理模块 前 处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 ANSYS 程序提供了两种实体 建模方法 自顶向下与自底向上 自顶向下进行实体建模时 用户定义一个模型的 最高级图元 如球 棱柱 称为基元 程序则自动定义相关的面 线及关键点 用 户利用这些高级图元直接构造几何模型 如二维的圆和矩形以及三维的块 球 锥 和柱 无论使用自顶向下还是自底向上方法建模 用户均能使用布尔运算来组合数 据集 从而 雕塑出 一个实体模型 ANSYS 程序提供了完整的布尔运算 诸如相 加 相减 相交 分割 粘结和重叠 在创建复杂实体模型三时 对线 面 体 基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量 ANSYS 程序还提供了拖拉 延伸 旋转 移动 延伸和拷贝实体模型图元的功能 附加的功能还包括圆弧构造 切线 构造 通过拖拉与旋转生成面和体 线与面的自动相交运算 自动倒角生成 用于 网格划分的硬点的建立 移动 拷贝和删除 自底向上进行实体建模时 用户从最 低级的图元向上构造模型 即 用户首先定义关键点 然后依次是相关的线 面 体 由于 ANSYS 软件提供了软件接口转换程序 所以对于比较复杂的实体模型一般 使用 CATIA 或者 UG 进行建模 此外 ANSYS 软件提供了使用便捷 高质量的对 CAD 模型进行网格划分的功能 包括 4 种网格划分方法 延伸划分 映像划分 自由划分和自适应划分 延伸网格 划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格 映像网格划分允许用户将几何模型分 解成简单的几部分 然后选择合适的单元属性和网格控制 生成映像网格 ANSYS 程序的自由网格划分器功能是十分强大的 可对复杂模型直接划分 避免了用户对 各个部分分别划分然后组装时各部分网格不匹配带来的麻烦 自适应网格划分是在 生成了具有边界条件的实体模型以后 用户指示程序自动地生成有限元网格 分析 估计网格的离散误差 然后重新定义网格大小 再次分析计算 估计网格的离散误 差 直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数 网格划好后 零部件的有限元模型就建立好了 这时用户就可以进行加载计算 了 在该阶段 用户可以定义分析类型 分析选项 载荷数据和载荷步选项 然后 开始有限元求解 加载即用边界条件数据描述结构的实际情况 即分析结构和外界 之间的相互作用 载荷的含义有 自由度约束位移 节点力 力 力矩 表面载 荷压力 惯性载荷 重力加速度 角加速度 可以在实体模型或 FEA 有限元分 析 模型 节点和单元 上加载 直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于 有限元网格 重新划分网格或局部网格修改不影响载荷 同时加载的操作更加容易 尤其是在图形中直接拾取时 但要注意 无论采取何种加载方式 ANSYS 求解前都 将载荷转化到有限元模型上 因此 加载到实体的载荷将自动转化到起所属的节点 或单元上 最后 ANSYS 软件还具有后处理模块 后处理模块包括通用后处理模块和时间 历程后处理模块 通用后处理模块可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一 子步或时间步的结果 运用该模块可以获得各种应力场 应变场及温度场的等值线 图形显示 变形形状显示以及检查和解释分析的结果列表 而时间历程后处理模块 可获得结果数据对时间或频率的关系图形线及列表 如绘制位移 时间曲线 应力 应变曲线等 另外该模块还可以进行曲线的代数运算 变量之间还可以进行加 减 乘 除运算以产生新的曲线 也可以取绝对值 平方根 对数 指数以及最大和最 小值 还可以对曲线进行微积分运算 并且还能够从时间历程结果中生成谱响应 4 2 1 3 ANSYS 在机械工业中的应用 ANSYS 可以对机械结构的静 动态力学性进行分析 静力分析是用于静态载荷 可以考虑结构的线性及非线性行为 例如 大变形 大应变 应力刚化 接触 塑 性 超弹性及蠕变等 模态分析是计算线性结构的自振频率及振形 谱分析是模态 分析的扩展 用于计算机由于随即振动引起的结构应力和应变 在机械结构动力学 分析中 利用弹性力学有限元建立结构的动力学模型 进而可以计算出结构的固有 频率 振型等模态参数以及动力响应 2 2 课题概述 随着科技的日新月异 汽车行业的竞争压力不断加剧 ANSYS 软件在汽车零部 件的使用可靠性验证中被广泛使用 目前大多数汽车生产商对汽车零部件均先采用 作图软件如 CATIA 和 UG 等给零件建立实体模型 然后通过接口程序导入 ANSYS 软 件中进行单元类型的定义和材料性能参数的定义 再进行网格的划分 这样就建立 了零部件的有限元模型 而后在需要施加边界约束的节点上施加约束 最后进行加 载求解计算以获得零部件的应力云图以及位移变形云图等来验证其强度 抗冲击性 疲劳强度以及可靠性能 根据分析所得到的结论找出零件的薄弱环节提出改进的方 案以加强零件的强度和工作可靠性 这不仅能够提高汽车零部件的性能 更加能够 提高整个汽车的质量和安全性能 根据对课题名称的分析可以判断是对轿车的转向节进行有限元分析 转向节是 轿车底盘的连接件 是汽车车桥上的重要部件之一 其使用是否可靠直接关系到车 辆的行驶安全性 它通过多个零件将制动系统 转向系统 悬架系统有效地连接起 来 其在前模块总成中如图 2 1 所示 图 2 1 轿车的前悬架模块结构 转向节的毛坯一般采用铸造 锻造或铸加锻工艺 然后对转向节的杆部 法兰 盘和叉部这三种主要部分进行机械加工 杆部加工以中心孔定位 车和磨为主 加 工关键是磨削 法兰盘加工主要是制动器的安装孔加工 要保证其位置度 同时要 兼顾加工效率 并且孔对叉部有定位作用 叉部加工是转向节加工的难点 采用销 一面定位 其加工主要是保证主销孔的同轴度 以及主销孔与内端面的垂直度 是 整个加工工艺投资的重点和设备选型的关键 经过以上几道工序最后成为一个复 9 杂的空间受力件 承受转向力和来自地面的支撑力 滚动阻力 制动力等 它是汽 车转向桥的主体构件 主要功能是保持汽车行驶的平稳性 缓解汽车在行驶过程中 的纵向力和侧向力以及这些力造成的力矩 并减轻驾驶员的疲劳程度 汽车转向节 品质的优劣直接维系着乘员和货物的安全 其结构如图 2 2 所示 其连接功能见 8 表 2 1 所示 图 2 2 转向节结构 表 2 1 转向节连接点位置 序号连接点名称连接点属性 1 与减震支柱连接点螺栓连接 2 与制动钳连接点螺栓连接 3 与转向节臂连接点球头连接 4 与转向横拉杆连接点球头连接 5 与副车架连接点球头连接 2 3 7180 型轿车的参数 根据课题名称 7180 转向节有限元分析 可知 7 轿车 18 排气量 1 8L 由于市场上符合这两个参数的汽车有许多不同的品牌 我在这次毕业设计中选择了 06 款桑塔纳 3000 1 8 自动舒适型轿车的转向节进行有限元分析 其参数如下表 2 2 中 表 2 2 桑塔纳 3000 1 8 自动舒适型详细参数 性能参数性能参数 基本参数基本参数 生产厂商 上海大众品牌 桑塔纳型号 3000 1 8 自动舒适型 生产时间 2006驱动形式 前驱最高车速 km h 178 油耗 L 100km 7 4 90km h 等速油耗 排放标准 国 3燃料种类 93 号以上无铅汽 油 主要尺寸与质量主要尺寸与质量 长 宽 高 mm 4687 1700 1450 轴距 L mm 2656最小离地间隙 mm 115 前轴轴离 a mm 1300后轴轴距 b mm 1356质心高 h mm 900 后备箱体积 L 400油箱容积 L 60整备质量 m kg 1220 发动机参数发动机参数 发动机位置 前置发动机型式 水冷直列四缸四冲程汽油机 气缸数 4排量 mL 1781点火方式 电子点火 最大功率 kw 74 5200最大扭矩 N m 155 38000 100Km h 加速时间 s 14 0 底盘参数底盘参数 变速器型式 4 档自动悬架 前 后 麦弗逊式 抗扭整体式 轮胎类型与规格 km h 轮胎 195 60 R14 制动装置型式 前 后 前轮盘式制动器 后轮鼓式制动器 车身参数车身参数 车门数 4座位数 5 标准配置标准配置 晶钻式前大灯组合尾灯与车身同色水箱格栅与车身同色保险杠 与车身同色防擦条与车身同色外后视镜与车身同色外拉式把 手 绿色隔热玻璃 车顶天线新铝合金轮毂 6J 14浅米色内饰胡桃木纹饰 真皮座椅后座可翻折中央扶手亮度可调蓝背光组合 仪表 镀铬饰件 遮阳板带翻盖式化妆 镜带照明功能 前后阅读灯可锁杂物箱带照明功 能 前门储物槽 前座椅后储物袋电压器及烟灰缸前后橡胶脚垫刹车灯 转向灯 雾 灯 防炫目内后视镜防抱死制动系统后门儿童安全锁安全带 防盗系统 安全气囊可溃缩式转向管柱侧面防撞杆动力转向系统 发动机液压支撑气液减震器电子油门 后视镜驾驶员座椅调节器 自动空调空气过滤器收音机带 CD 机6 喇叭音响系统 四门电动摇窗机四挡前风窗雨刮器三角警告牌全尺寸备胎 2 4 转向节的受力分析及其计算 2 4 1 转向节受力分析 根据 汽车工程手册第二分册 对转向节的受力按照 3 种危险工况进行分析 计算 即 紧急制动工况 侧滑工况和越过不平路面工况 由 汽车有限元法 可 知 转向节的基本受力情况有 3 种 即 车轮所受的垂直力 车轮所受的侧向力以 及车轮所受的纵向力 根据车辆在行驶过程中转向节的受力分析可得 紧急制动工 况即为垂直力和纵向力共同作用的组合工况 侧滑工况即为垂直力和侧向力共同作 用的组合工况 越过不平路面工况即为垂直单独作用的工况 根据 3 种基本受力极 限工况下车轮上的动载荷值进行计算 即 2 最大垂直动载荷 Z kG max1 式中 k 动载系数 G 前轮静载荷 1 最大侧向载荷 Y Gmax 1 式中 道路附着系数 最大纵向载荷 X qG max1 式中 m 汽车制动时的重量分配系数 1 以上参数数值见表 2 3 表 2 3 系数数值表 名称数值 动载系数 k 2 0 道路附着系数 0 8 重量分配系数 q 1 4 重力加速度 g 9 8 3 14 2 4 2 转向节受力计算 一 最大垂直动载荷 Z kG max1 m m m 2 1 12 L a 2 2 m m2 L b 2 3 m m1 由以上三式可得 m 622 86kg m 597 14kg 12 Z km g 12208N max1 二 最大侧向载荷 Y G max1 Y G m g 4883 2N max1 1 三 最大纵向载荷 X qG max1 X qG qm g 6836 5N max1 1 以上各向力的大小归纳于表 2 4 中 表 2 4 力值 名称数值 N 最大垂直动载荷 Zmax 12208 1 最大侧向载荷 Ymax 4883 2 最大纵向载荷 Xmax 6836 5 另外转向节安装支环即力作用的全面积 S 4 48 10m 半面积 1 3 2 S 2 24 10m S 1 15 10m 2 3 2 3 3 2 一 紧急制动工况 P 5 45 10 Pa Y 2 max S Z 6 P 3 05 10 Pa X 2 max S X 6 二 侧滑工况 向左侧滑 P 5 45 10 Pa Y 6 P 4 25 10 Pa Z 3 max S Y 6 向右侧滑 P 5 45 10 Pa Y 6 P 4 25 10 Pa Z 6 三 越过不平路面工况 P 5 45 10 Pa Y 6 注 上式中正号表示压力 负号表示拉力 以上各工况的载荷及属性见表 2 5 表 2 5 各工况载荷和属性 工况载荷 Pa 数值方向属性 PY 5 45 10 6 Y 压力紧急制 动工况 P X 3 05 10 6 X 压力 PY 5 45 10 6 Y 压力向左 PZ 4 25 10 6 Z 拉力 PY 5 45 10 6 Y 压力 侧滑 工况 向右 PZ 4 25 10 6 Z 压力 越过不平路面 PY 5 45 10 6 Y 压力 3 有限元分析过程 3 1 转向节有限元模型的建立 有限元模型是强度分析的基础 因此要先建立尽可能精确的模型 为有限元分 析计算打好基础 首先根据设计的要求以及所选轿车的型号和相关参数 利用 CATIA V5 建立汽车左转向节的三维实体模型 由于转向节的形状较为复杂 在建模 的过程中应首先注意对其结构进行简化 即要使有限元模型能够反映工程结构的主 要特征 又要尽可能地缩小解题规模 这其中包括去除过小的倒角 修补细碎表面 使得建模能够方便快捷 依据这些要求可以得出如图 2 2 的转向节实体模型 然后 在 CATIA V5 中另存为 stp 文件 再通过 UG5 0 打开 stp 文件 在 UG5 0 中通 过 parasolid 导出为 x t 文件 这样就转化为 ANSYS 能够识别的文件了 最后 在 ANSYS 软件中打开并且进行一系列的前处理 同时采用 Structural Solid Brick 8node 45 单元对转向节进行网格划分 并控制最大单元尺寸为 5mm 划分为 14183 个节点 61753 个单元 另外还有 246 个关键点 399 个线单元 159 个面单元和 7 个体单元 建立的有限元模型如图 3 1 所示 图 3 1 转向节网格图 3 2 转向节有限元线性分析 转向节的材料定义为 40Cr 则其弹性模量 E 196GPa 泊松比 v 0 3 屈服极限 785MPa 取安全系数 n 2 则许用应力 393MPa 又由于 40Cr 属于塑性材 S 料 故在进行强度计算时 采用屈服极限作为该材料的极限应力 S 由于转向节在各工况下的约束是固定不变的 所以三种工况均采用统一的约束 在 ANSYS 的环境下对转向节的有限元模型施加约束 如图 2 2 所示 首先对图中编 号为 1 和 5 的圆柱内侧面施加 x 和 z 方向上的约束 使其位移值为 0 然后对编号 为 3 的圆柱内侧面施加全约束 将其相对与三个坐标轴的位移值设为 0 同时将其 三个转动自由度也约束起来 这样就完成了转向节的约束施加 为后面在各种工况 下的分析计算做好铺垫 由于转向节在各种工况下所受力的大小以及作用方向和作用点不同 因此应分 别对各工况进行分析计算 今考虑三种工况即 紧急制动工况 侧滑工况 越过不 平路面工况 并将各个工况的分析计算分述如下 3 2 1 紧急制动工况 汽车在制动过程中 除了受到地面的支撑反力外 还受到路面给车轮的纵向力 为了计算和分析的方便 现做如下假设 假设汽车在水平路面上行驶 假设汽车在 制动时是直线向前行驶的 这样纵向力的方向就确定向后了 对于转向节的重力跟 支撑反力相互抵消 因此不予考虑 此外汽车在制动过程中 转向节与制动钳连接 的部位如图 2 2 编号为 2 的位置受到制动力 由于制动力矩是个变化的力矩难以获 得以及我只是体系的不足 在此也不予考虑以简化计算 但是在今后的研究分析中 望能够解决这个问题 由于转向节是个复杂的受力体 其在三种工况中某时刻某位 置所受到的力的作用点都在变化 因此在加载时 如果加载集中点力很难把握力的 作用点 作用点选取的不同会影响分析计算的结果 甚至会导致错误的分析计算结 果 所以采用面载荷在转向节的圆形凸台上进行加载 这原本是轴承力 但是为了 计算的方便采用均布载荷 分析计算后可得到在紧急制动工况下转向节的变形后的 几何形状和未变形的轮廓图 等效应力场分布等值线图以及等效应变等值线图 他 们分别如下图 3 2 图 3 3 和图 3 4 所示 图 3 2 变形后的几何形状和未变形的轮廓图 图 3 3 等效应力场分布等值线图 从以上等效应力场分布等值线图上可以看到 转向节的主体部分所受到的应力 都比较小 与车轮连接的圆形凸台部分所受的应力中等 且数量级比材料的屈服极 限以及许用应力小 但是此处还要极其注意其制造工艺 以确保应力在屈服极限和 许用应力以下 在紧急制动工况下 最小应力场分布在与主销连接的叉部 最大应 力场分布在与转向节臂连接的杆的头部以及杆与主体连接的根部 所以与转向节臂 连接的杆部是最大应力场分布的地方 因此在设计加工转向节的过程中要引起重视 总得说来 所分析的转向节在紧急制动工况下的最大应力小于许用应力 即 147E 09 147MPa 393MPa 图 3 4 等效应变等值线图 由理论知识即可知道应力场大的地方应变也大 应力场小的地方应变也小 所 以在紧急制动工况下 转向节的大部分地方的应变都较小 与车轮连接的圆形凸台 的应变适中 最大应变出现在与转向节臂连接的杆部 最小应变仍然出现在与主销 连接的叉部 从上图 3 4 等效应变等值线图可以看出在紧急制动工况下 桑塔纳轿 车的左转向节从连接转向节臂的杆部向右起 应变增大 且出现最小位移变形的地 方就是与转向节臂相连接的杆的头部 值得一提的是与制动钳连接的杆部还受到未 曾考虑的制动力 因此该处的实际位移变形比上图分析得略有增加 另外 与主销 连接的叉部是车轮在地面摆动的轴线 因此强度要高 加工也需精确 3 2 2 侧滑工况 当汽车的前轮抱死而后轮滚动时 设方向盘不动 汽车受到偶然并且短暂的侧 向外力作用后 前轴会发生侧向滑动 而后轴未有侧向滑动 后轴中点速度的方向 与汽车纵向轴方向一致 此时 汽车发生类似转弯的行驶运动 侧向外力的作用方 向可能向左也可能向右 因此侧滑工况分为左侧滑和右侧滑 假设使汽车发生侧滑 的侧向外力沿着汽车的横向 在进行侧滑工况分析时也是将载荷加在圆形凸台上 同样也是采用均布载荷进行加载 一 左侧滑 由于我选取的是左转向节 当汽车前轴向左侧滑时 汽车受到地 面垂直向上的支撑力以及向左的侧向外力 在进行加载的时候应注意侧向外力作用 在圆形凸台上起着拉力的作用 因此在 ANSYS 软件中要输入负值 这里的负值仅仅 表示作用力对于零件是拉力 加载后进行分析计算同样能够得到汽车在左侧滑的工 况下转向节的变形后的几何形状和未变形的轮廓图 等效应力场分布等值线图以及 等效应变等值线图 即下面所列的图 3 5 图 3 6 和图 3 7 图 3 5 变形后的几何形状和未变形的轮 图 3 6 等效应力场分布等值线图 图 3 7 等效应变等值线图 二 右侧滑 右侧滑工况与左侧滑工况类似 只是使得汽车发生侧滑的侧向外 力向右横向作用于车轮上 载荷的加载与左侧滑工况也是相仿的 只是载荷全部是 压力 在 ANSYS 软件中加载是均采用正值 经分析计算后也可得到四张图片 即转 向节的变形后的几何形状和未变形的轮廓图 3 8 等效应力场分布等值线图 3 9 以 及等效应变等值线图 3 10 图 3 8 变形后的几何形状和未变形的轮廓图 图 3 9 等效应力场分布等值线图 3 10 等效应变等值线图 3 2 3 越过不平路面工况 当汽车行驶在凹凸不平的路面上时 或者越过障碍时所受的力会发生变化 纵 向的力不见了 同时假设车轮始终正方向向前行驶 则此时也不存在侧向作用力 因此转向节只受到垂直方向的作用力 在进行载荷加载时只需将垂直方向的作用力 均布在圆形凸台上 由此分析计算得出图 3 11 转向节的变形后的几何形状和未变 形的轮廓图 图 3 12 等效应力场分布等值线图以及图 3 13 等效应变等值线图 图 3 11 变形后的几何形状和未变形的轮廓图 图 3 12 等效应力场分布等值线图 图 3 13 等效应变等值线图 纵向比较各工况下的等效应力场分布等值线图和等效应变等值线图 可以看出 应力与应变线图相似 这也验证了材料力学上的胡克定律 即 1678 年罗伯特 胡 克发现的杆横截面上的正应力与由其引起的纵向应变成比例 这个比例常数就是材 料的弹性模量 5 横向比较图 3 2 图 3 5 图 3 8 和图 3 11 即转向节在各种工况下变形后的 几何形状和未变形的轮廓图 转向节在各种工况下的变形基本相同 整体变形都比 较大而且变形方向与力的作用方向有密切关系 横向比较以上等效应变等值线图可以发现转向节在各工况下应变分布没有太大 的区别 而且可以发现转向节在各个工况下应变分布变化较大 但这只是相对于约 束而言的 本文的计算仅针对转向节本身 虽然其量值的数量级很小 但是在本分 析中对载荷的加载采用了适当的简化 即将作用力平均分布在面上进行加载 而现 实中并不是这种理想状况 转向节的圆柱凸台受力并不均匀 如果要使分析接近与 现实情况 则在加工转向节的时候尤其注意圆形凸台的加工 保证其圆柱度 这样 才能更好的与车轮配合 使得受力更好的均布在圆柱凸台上 横向比较三种工况下的等效应力场分布等值线图 可以看出应力最大的是右侧 滑工况达到 297MPa 最小的是在紧急制动工况下的 147MPa 此外转向节在各个工 况下的应力分布存在共同点 即是应力分布均匀 但其量值较大 并且均有局部应 力集中的现象 值得庆幸的是应力最大的地方的应力量值比材料的屈服极限和许用 应力都小 从图中可以看出应力集中在与转向节臂相连接的杆部 考虑到转向节的 结构复杂 形状变化大 加工工艺难 尤其是与主销连接的叉部是转向节加工过程 中最难的 故应注意保证其制造质量 总体说来该转向节能够满足车辆的使用要求 但是转向节结构工作范围属于交 变应力状态 严格意义上来说 其分析应从疲劳分析着手 此次毕业设计中未进行 疲劳分析 仅仅通过考虑疲劳系数的形式加以讨论 3 结 论 本设计利用 ANSYS 软件对转向节结构强度进行了有限元计算 并对计算结果进 行了分析 通过分析可知 有限元法可以较全面地对汽车结构进行分析 在设计制 造之前进分析能显著减少设计与制造费用 增强对所设计产品的信心 大大减少昂 贵的样机数量与花费 有限元法在汽车零部件设计和整车结构设计 模态分析等领 域必将具有广阔的应用前景 对于本论文中所分析的转向节 由于是自己通过在实验室观察以及在图书馆收 集资料后根据桑塔纳 3000 的整车参数所建立的模型 经有限元分析后发现模型的 部分结构不够优化 虽然在以上三种工况下分析转向节结构的最大应力均未超过材 料的许用应力 但是在实际的生产和使用过程中 工况复杂多变 因此还必须对转 向节的结构进行改进和优化 使其可靠性能更高 就本设计来说 转向节在三种工况下的最大应力出现在与转向节臂连接的杆部 所以应对此杆部进行结构的改进 修改的措施是将杆部的宽度变宽 在杆部与凸台 连接的地方应使用圆弧过渡连接 在接近凸台的杆部的根部做两个斜肋支撑在凸台 上以加强其强度 致 谢 在做毕业设计的过程中 江淮汽车股份有限公司的杨士钦工程师给了我毕业设 计的基本资料 在这里我要感谢杨工程师对我的帮助 另外 我要感谢实验室的唐 永琪老师 唐老师悉心的给我讲解转向节的结构 作用及其相关制造技术 我还要 感谢我的同学和室友给我的帮助和支持 最重要的是在此次毕业设计的过程中 卢 剑伟老师全程辅导我 帮助我更好的理解毕业设计的思想和目的 帮助我理解毕业 设计的思路 卢老师就像那迷雾中的灯塔 给我指明了正确的前进方向 使我在毕 业设计中避免一些不必要的错误 在每周一次的会面中卢老师帮助我解决了不少具 体问题 他的态度严谨 要求严格 这就保证了我毕业设计的速度和质量 在这里 我要感谢卢老师孜孜不倦的教导和鼓励 参考文献 1 余志生 汽车理论 第 4 版 北京 机械工业出版社 2006 2 方锡邦 汽车检测技术与设备 北京 人民交通出版社 2005 3 谭继锦 汽车有限元法 北京 人民交通出版社 2005 4 张朝晖 ANSYS 8 0 结构分析及实例解析 北京 机械工业出版社 2005 5 杨伯源 材料力学 北京 机械工业出版社 2002 6 博弈创作室 ANSYS 9 0 经典产品高级分析技术与实例详解 北京 中国水利水 电出版社 2005 7 Saeed Moaveni 有限元分析理论与应用 北京 电子工业出版社 2003 8 陈家瑞 汽车构造 下册 第 2 版 北京 机械工业出版社 2005 9 王望予 汽车设计 第 4 版 北京 机械工业出版社 2004 10 自动车技术会 汽车工程呢手册 第二分册 北京 机械工业出版社 1979 11 曾东建 汽车制造工艺学 北京 机械工业出版社 2005 12 朱家诚 机械设计课程设计 合肥 合肥工业大学出版社 2005 13 高德平 机械工程中的有限元法基础 航空专业教材编审组 1986 袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈 肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀 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羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁