汽车转向节有限元分析—客车技术.doc

轿车转向节有限元分析江迎春 陈无畏（合肥工业大学机械与汽车工程学院 合肥 230009）摘要对某款轿车前悬架在三种工况下的受力情况进行分析，并利用PATRAN和NASTRAN有限元分析软件对该轿车的转向节进行了强度和变形的分析计算，找到了该结构设计的薄弱环节，为改进设计提供了依据。关键词：转向节 有限元分析 应力和变形 NASTRAN 中图分类号： 文献标识码：Analysis of Automobile Steering Joint Based on NASTRANJIANG Yingchun Chen Wuwei(School of Mechanical and Automobile Engineering, 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. Points 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;51 概述汽车悬架对整车道路行驶动力学特性(如操纵稳定性、行驶平顺性等)有举足轻重的影响。而转向节是其中重要零部件。在车辆的行驶过程中，它不仅承受前轴负荷，而且在车辆转向、制动时还要承受条件恶劣的载荷作用，因此其强度、抗冲击性都有很高的要求1。为保证行车安全，对其进行强度分析十分重要。而转向节的形状复杂，在不同工况下的载荷状况都不易精确的确定。本文采用PATRAN中的刚性单元RBE2来辅助加载，使得载荷和边界条件的位置与实际情况更加接近。针对汽车行驶过程中的三种工况分别进行分析，得到在垂直跳动、转向和制动状态下应力和变形状况。2 转向节有限元模型的建立图1实体模型用UG40建立，通过接口程序转化为parasolid格式的文件，转化后的文件导入到Patran中进行前处理。首先去处过小的倒角，对模型进行了一定的简化处理，既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。然后采用Tet10单元对其进行划分，考虑过渡面的尺寸，控制最小单元边界尺寸05mm，最大 单元尺寸6mm ，首次划分完后，用PATRAN对该转向节几何模型进行初步应力及模态计算，比较之后，再对可能应力较大的部分进行细划，如上端伸出部分的根部，和大孔根部，加大了单元划分密度。划分完后模型的单元数是44656个，节点数11542个。划分后的有限元模型如图1所示： 图1 转向节的有限元网格模型3 转向节的计算工况与边界条件3.1 转向节的在各工况下的受力一般的单前桥汽车，左右各有一个转向节，分别通过主销共同和车桥连接。这里所述的是应用于某小型轿车的麦弗逊式独立悬架，转向节的上部与减振器下端刚性连接，下部孔与下摆臂球头销连接，装在转向轴上的前轮可以绕减振器上端与转向节下耳孔连线旋转一定角度以实现汽车的转向。因为是发动机前置前驱动，所以在转向节中有一大孔，之间有滚子轴承连接车轮轴和转向节，属于铰接约束。转向节的载荷一般由两部分组成，即由汽车前悬簧载质量产生的静载和汽车行驶过程中产生的动载，有三种受力极限工况2-3： 1、车子通过不平路面时受到的地面脉冲力的冲击；2、在紧急刹车时，受到地面纵向冲击与车子的惯性力；3、车转向时，受到横向力的冲击；当汽车通过不平路面时，车轮受到地面的冲击向上跳动，在垂直载荷作用下，分别取减振器缸筒带车轮、减振器活塞与活塞杆为隔离体，图中假定弹簧力作用线与减振器的中心线DOO1O2重合，O1，O2分别为减振器中心线与下控制臂EG（为便于分析，假定EG平行与地面）及车轮纵向中心面的交点，受力分析如下图所示4:图2 垂直跳动悬架受力状况在图示的横向平面内，车轮通过不平路面时受到地面向上的垂直跳动力,作用于N点，G点为转向节与下摆臂连接点，由于可以垂直跳动，因此认为只受到水平方向的拉力。假设车身固定，隔离体通过D点和E点与之相连。a为轮胎中心线与减振器上端D点与车身相连接部分在水平方向的距离， c为下控制臂与转向节连接点G与减振器上端D点在垂直方向上的距离。最大垂直动载荷:式中：动载荷系数（取2.5）； 前轮静载荷；由悬架整体受力平衡易得：由以上分析可得到转向节受力状态如图所示： 图3 通过不平路面转向节受力汽车紧急制动时，隔离体除了在受到最大垂直静载荷与横向力之外，在纵向平面内还受到最大制动力。纵向平面受力图如图4所示： 图4 紧急制动时悬架的受力状况图4中（a）、（b）分别是纵向平面和横向平面内悬架的受力状态。b为减振器上端D点到地面的垂直距离，e是D点与轮胎和地面接触点的纵向距离。紧急制动时轮胎在N点受到垂直静载荷与制动力，悬架中的G点除了在横向平面内受到拉力外，还在纵向平面内受到车身通过摆臂传来的惯性力。最大垂直静载荷：最大制动力： 式中：汽车制动时质量分配系数（根据文献6取1.4）； 路面附着系数（根据文献3取0.8）对D点列力矩平衡方程，易得： 同理，可得： 认为极限状况车轮抱死不转，直接通过车轮轴作用于转向节上。由此得到转向节在制动状态下受力： 图5 制动状态下转向节受力在转向时，极限状态下内侧的车轮受到的垂直作用力为零，整个前轴的垂直载荷都作用到外侧的车轮上，因此，最大垂直载荷。式中：前轴静载荷最大侧向载荷 其受力分析如图4所示： 图6 转向时受力状况图中轮胎的N点受到地面反力和侧向力；在转向节与摆臂连接的G点受到推力。在G点的力可由下力矩平衡公式求得： 根据悬架受力分析得到转向时转向节受力状况如下图：图7 转向时转向节受力3.2 有限元模型的边界条件和载荷因为缺少轮胎的参数同时也为了减少分析的规模，没有建立轮胎的有限元模型，将地面对轮胎的作用力加在转向节上，力平移中的力矩由轮胎和轮辋承受。同时为了定义约束条件方便，在转向节与车轮连接部位加位移约束，而将垂直力加在转向节上端，这样的约束和加载的效果和实际状态是一样的。为符合实际情况，取两孔中心点的横向坐标与减振器筒中心线的交点为加载点。加载方式通过利用PATRAN中的RBE2单元，在加载的位置建立单个节点，定义其为independent点，然后将转向节上用于承受力的孔内部节点定义为其dependent点，因为是完全的刚性连接，所以将相互的6个自由度全部关联。图8中（a）（b）（c）分别是通过不平路面、制动和转向时的加载图。（a） （b） (c)图8 转向节边界条件图4 强度计算及结果分析该转向节的材料为球墨铸铁QT500-7，弹性模量，泊松比=0.28，密度=。定义其为各向同性结构材料Isotrpic，选择线弹性本构关系Linear Elastic。然后定义其单元属性，采用Standard Formulation创建。选择LINEAR STATIC分析即线性静力学分析，Patran将文件提交给Nastran进行求解。4.1 应力分析对转向节静力学强度分析得到的等效应力云图如图9，图10，图11所示： 图9 垂直跳动时转向节的应力云图图10 转向时转向节的应力云图 图11 制动时转向节的应力云图由图中可以看出，在垂直跳动工况下，转向节大应力的区域主要居于上端伸出部分的颈根处，最大应力值为485MPa，QT500-7的屈服极限320MPa，抗拉极限500MPa，其值超过材料屈服应力，但就图12所看，245MPa到485MPa过渡范围很小，集中于少数几个节点，因此可以认为是几何的复杂形状所引起的计算奇异点所造成的。 图12 超过屈服应力区域应力云图其余大范围过渡的高应力区都基本在90245MPa之间，在去掉奇异点之后，整体的转向节的分析得到的应力结果是小于屈服极限的。转向时大应力区位于转向节大孔的根部与上部突出部分相交位置，并且在小孔处形状突变的地方产生应力集中，如图7中局部图所示，最大应力值460MPa，同样的，其中259460MPa的应力范围过渡也很小，因此也属于奇异点。而整体高应力范围在120MPa左右；制动时高应力区位于上部伸出部位的颈部下侧，最大应力值107MPa。可见，在三种极限工况下，去掉奇异点的应力值，转向节的整体应力都在许用应力范围之内。其中垂直跳动工况时转向节的受力条件最为恶劣，可作为设计改进的重点。表1给出了在各高应力节点在不同工况下的应力值。表1 高应力节点的等效应力值节点节点号 应力/MPa垂直跳动工况转向工况制动工况ABCDE11129911796411151011588811344348525566.22203.5643420125202103.479.550.510.310749.74.2 变形分析 图13分别为转向节在三个工况下的变形状况，在三种图13 转向节在垂直跳动、制动、转向工况下的变形图（放大100倍）工况下最大变形量分别为0.9mm，0.2mm ，0.7mm。4 结 论1)本文主要是针对某款A级轿车的转向节，利用PATRAN软件做前后处理，NASTRAN软件做求解器，针对汽车行驶过程中的三个工况进行了详细的力学分析与求解计算。分析模型的网格划分较为细致，保证了计算的精度。2）同时利用RBE2刚性单元处理加载和边界条件约束。传统的做法是将载荷和约束直接施加在大小孔内，沿孔的周线方向按余弦规律分布，这样加载存在一定的人为误差。3）由计算结果可知，在三种工况条件下该转向节强度均符合设计要求，其薄弱部位集中在与减振器滑柱筒连接的部分以及大孔的根部。在垂直跳动的状态下受力状态最为恶劣。这与实际的转向节疲劳破坏状况基本相符。可见有限元法对转向节进行应力应变分析从而确定其薄弱环节，为改进设计提供可靠的理论依据。参考文献1 冯大碧,王勇,杨晓明等. 客车左前轮转向节断裂分析 汽