基于有限元分析的汽车转向支持桥设计

基于有限元分析的汽车转向支持桥设计目录摘要 .4ABSTRACT.5第一章 绪论 .61.1 引言 .61.2转向支持桥的定义 .71.3转向支持桥的安装形式 .71.4 转向支持桥的结构 .81.4.1 转向支持桥的组成部分 .81.4.2 转向支持桥的结构及其影响因素 .91.5转向支持桥国内外研究现状与趋势 .101.6 本文的主要内容 .12第二章 转向支持桥设计计算 .143.1 前桥的结构形式 .143.2 转向支持桥主要零件尺寸的确定 .143.3 转向从动桥前梁应力计算 .163.2.1 在制动情况下的前梁应力计算 .163.2.2 在最大侧向力（侧滑）工况下的前梁应力计算 .173.4 转向节在制动和侧滑工况下的应力计算 .193.4.1 工况下的转向节应力计算 .193.4.2 在汽车侧滑工况下的转向节应力计算 .203.5 主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算 .203.5.1 在汽车制动工况下的计算 .203.5.2 在汽车侧滑工况下的计算 .223.6 推力轴承和止推垫片的计算 .233.6.1 推力轴承计算 .233.6.2 转向节止推垫片的计算 .243.7轮胎的选取 .243.7.1 轮胎与车轮应满足的基本要求 .243.7.2 轮胎的分类 .243.7.3 轮胎的特点与选用 .253.8转向支持桥定位参数 .273.8.1 主销后倾角 .293.8.2 主销内倾角 .303.8.3 车轮外倾角 .313.8.4 车轮前束 .323.9 轮辋的尺寸计算 .33第四章 转向支持桥关键零件的有限元分析及优化 .354.1有限元法和 ANSYS/WORKBENCH分析软件 .354.1.1有限元法概述 .354.1.2ANSYS/WORKBENCH软件介绍 .364.2建立实体模型 .374.3材料属性及单位制 .394.4单元选择与网格划分 .394.5边界处理 .404.6运算及结果分析 .434.7优化分析 .474.7.1优化的数学模型 .474.7.2优化设计 .48结论 .51致谢 .52摘要我国作为一个发展中国家，汽车使用越来越多，而当前由于设计方案所限，不能精确地选择零部件的尺寸和结构，造成有的地方强度不够，而有的地方强度又过剩，严重地影响了产品的开发和设计，造成直接经济损失。特别对于诸如转向支持桥等部件,因不能准确确定其失效原因和部位，造成不能从根本上解决其失效问题。不同类型的货车在我国的市场中占有相当大的比例，他们的性能的好、坏在一定程度上也影响着汽车在市场上的地位。针对以上问题，本设计选用汽车转向支持桥作为设计对象，通过有限元分析及合理的计算，结构设计，而达到汽车转向支持桥具有较好的转向灵敏性。转向支持桥是汽车底盘的重要总成，它直接与转向系统和悬架等相联系，用来实现汽车的转向、前轮定位和支撑作用。课题研究对象是后轮驱动汽车的转向支持桥，主要零件包括前梁、主销、转向节等，这些关键零部件的设计对整个转向支持桥性能具有很大的影响。采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行转向支持桥设计不但可以获得最佳的转向支持桥基本参数，还可以大大缩短转向支持桥总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。通过本课题的研究学生可以完成理论课程的实践总结，掌握一种流行的设计方法和软件，获得一定的研究工作方法，提高科研工作素质。本文主要的设计内容如下:（1）转向支持桥主要零部件的设计；（2）主要零部件的有限元分析与优化；（3）主要零部件的设计修正；（4）在 CAE分析的基础上完成设计图纸。关键词: 有限元，汽车，转向支持桥，转向节，主销ABSTRACT第一章 绪论1.1 引言我国作为一个发展中国家，汽车使用越来越多，而当前由于设计方案所限，不能精确地选择零部件的尺寸和结构，造成有的地方强度不够，而有的地方强度又过剩，严重地影响了产品的开发和设计，造成直接经济损失。特别对于诸如转向支持桥等部件,因不能准确确定其失效原因和部位，造成不能从根本上解决其失效问题。不同类型的货车在我国的市场中占有相当大的比例，他们的性能的好、坏在一定程度上也影响着汽车在市场上的地位。针对以上问题，本设计选用汽车转向支持桥作为设计对象，通过有限元分析及合理的计算，结构设计，而达到汽车转向支持桥具有较好的转向灵敏性。前桥即非驱动桥，又称从动车桥。它通过悬架与车架(或承载式车身)相联，两侧安装着从动车轮，用以在车架(或承载式车身)与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。前桥还要承受和传递制动力矩。根据从动车轮能否转向，前桥分为前桥与非前桥。一般汽车多以前桥为前桥。为提高操纵稳定性和机动性，有些轿车采用全四轮转向。多轴汽车除前轮转向外，根据对机动性的要求，有时采用两根以上的前桥直至全轮转向。一般载客汽车采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向前桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野汽车均为全轮驱动，故它们的前桥既是前桥又是驱动桥，称为转向驱动桥。前桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。与非独立悬架相匹配的非断开式前桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是前桥时，则其两端经转向主销与转向支持桥相联。断开式前桥与独立悬架相匹配。非断开式转向前桥主要由前梁、转向支持桥及转向主销组成。转向支持桥利用主销与前梁铰接并经一对轮毂轴承支承着车轮的轮毂，以达到车轮转向的目的。在左转向支持桥的上耳处安装着转向支持桥臂，后者与转向直拉杆相连；而在转向支持桥的下耳处则装着与转向横拉杆相连接的转向梯形臂。有的将转向支持桥臂与梯形臂连成一体并安装在转向支持桥的下耳处以简化结构。转向支持桥的销孔内压入带有润滑油槽的青铜衬套以减小磨损。为使转向轻便，在转向支持桥上耳与前梁拳部之间装有调整垫片以调整其间隙。带有螺纹的楔形锁销将主销固定在前梁拳部的孔内，使之不能转动。前桥的功用：前桥也称非驱动桥，又称从动车轴。它通过悬架与车架（或承载式车身）相联，两端安装从动车轮，用以承受和传递车轮与车架之间的力（垂直力、纵向力、横向力）和力矩，并保证转向轮作正确的转向运动。图 1.1 转向支持桥1.2转向支持桥的定义转向支持桥是汽车的重要组成部分，转向支持桥是利用车桥中的转向支持桥使车轮可以偏移一定角度，并承受地面与车架之间的力及力矩，以实现汽车的转向。前桥通过悬架与车架(或承载式车身)相联，两侧安装着从动午轮，用以在车架(或承载式车身)与车轮之间传递铅垂力、纵向力和横向力。前桥还要承受和传递制动力矩。前桥按与其匹配的悬架结构的不同，也可分为非断开式与断开式两种。前桥按与之匹配的悬架结构不同可分为非断开式与断开式两种。由于小型载客汽车要求价廉，所以多采用非断开式前桥。非断开式的前桥主要有前梁，转向支持桥和转向主销组成。1.3转向支持桥的安装形式各种车型的转向支持桥结构基本相同，主要由前梁、转向支持桥组成。一般载客汽车采用前置发动机后桥驱动的布置形式，故其前桥为转向从动桥。轿车多采用前置发动机前桥驱动，越野车均为全轮驱动，故他们的前桥既是转向支持桥也是驱动桥，称为转向驱动桥。转向支持桥按与其匹配的悬架结构不用，又可分为非断开式与断开式两种。与非独立悬架匹配的非断开式的转向支持桥是一根支承于左、右从动车轮上的刚性整体横梁，当又是转向支持桥时，其两端经转向主销与转向支持桥相连。断开式转向支持桥与独立悬架相匹配。1.4 转向支持桥的结构1.4.1 转向支持桥的组成部分各种车型的非断开式转向支持桥的结构型式基本相同，它主要由前梁（由于汽车前桥为转向支持桥，因此其横梁常称前梁） 、转向支持桥、转向主销、转向梯形臂、转向横拉杆等组成。1)前梁前梁是非断开式转向从动桥最主要的零件，由中碳钢或中碳合金钢模锻而成。其两端各有一呈拳形的加粗部分作为安装主销前梁拳部。为提高其抗弯强度，其较长的中间部分采用工字行断面，并相对两端向下偏移一定距离，以便降低汽车发动机的安装位置，从而降低汽车传动系的安装高度并减小传动轴万向节主、从动轴的夹角；为提高前梁的抗扭强度，两端与拳部相接的部分采用方形断面，而靠近两端使拳部与中间部分相连接的向下弯曲部分，则采用上述两种断面逐渐过度的形状。中间部分的两侧还要锻造出钢板弹簧支座的加宽支承面。非断开式转向从动桥的前梁亦可采用组合式结构，即由无缝钢管的中间部分和模锻成型的两端拳形部分组焊而成。这种组合式前梁适用于批量不大的生产，并可省去大型锻造设备。2)主销其结构型式有几种，如图 2-1所示，其中（a） 、 （b）两种型式是最常见的结构。3)转向支持桥多用中碳合金钢断模锻成整体式结构，有些大型汽车的转向支持桥，由于其尺寸过大，也有采用组焊式结构的，即其轮轴部分是经压配并焊上去的。4)转向支持桥臂、转向梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如 40、35Cr、40CrNi 钢等用模锻加工制成。多采用沿其长度变化尺寸的椭圆形截面以合理地利用材料和提高其强度和刚度。5)转向横拉杆应选用刚性好、质量小的 20钢，30 钢或 35钢的无缝钢管制造，其两端的球形铰接作为单独组件，组装好后以组件客体上的螺纹旋到杆的两端端部，使横拉杆的杆长可调，以便用于调节前束。球形铰接的球销与衬垫均采用低碳合金钢如 12CrNi3A,20CrNi,20CrMnTi,工作表面经渗碳淬火，渗碳层深1.53.0mm，表面硬度 5663HRC。允许采用 40或 45中碳钢制造并经高频淬火处理，球销的过渡圆角处用滚压工艺增强，球形铰接的壳体用 35钢或 40钢制造。为了提高球头和衬垫工作表面的耐磨性，可采用等离子或气体等离子金属喷镀工艺；亦可采用耐磨性好的工程塑料制造衬垫。后者在制造过程中可渗入专门的成分（例如尼龙-二硫化钼） ，对这类衬垫可免去润滑。图 1-1 主销的结构型式(a)圆柱实心型；(b)圆柱空心型；(b)(c)上、下端为直径不等的圆柱、中间为锥体的主销；(d)下部圆柱比上部细的主销6)转向支持桥推理轴承承受作用于汽车前梁上的重力。为减小摩擦使转向轻便，可采用滚动轴承，如推力球轴承、推力圆锥滚子轴承等。也有采用青铜止推垫片的。7)主销上、下轴承承受较大的径向力，多采用滚动轴承（即压入转向支持桥上、下中的衬套），也有采用滚针轴承的结构。后者的效率较高，转向阻力小，且可延长使用寿命。8)轮毅轴承多由两个圆锥滚子轴承组对，这种轴承的支承刚度较大，可承受较大负荷。轿车因负荷较轻，前轮毅轴承也有采用也有采用一对单列或一个双列向心轴承的，球轴承的效率高，能延长汽车的滑行距离，有的轿车采用一个双列圆锥滚子轴承。9)左、右轮胎螺栓多数为右旋螺纹，但有些汽车为了防松，左侧用左旋，右侧用右旋。1.4.2 转向支持桥的结构及其影响因素非断开式转向支持桥主要由前梁、转向支持桥及转向主销组成。转向支持桥利用主销与前梁铰接并经一对轮毅轴承支承着车轮的轮毅，以达到车轮转向的目的。在左转向支持桥的上耳处安装着转向梯形臂，后者与转向直拉杆相连；而在左、右转向支持桥的下耳处则装有与转向横拉杆联接的转向梯形臂。有的将转向支持桥臂与转向梯形臂联成一体并安装在转向支持桥的下耳处以简化结构。制动底版紧固在转向支持桥的凸缘面上。转向支持桥的销孔内压入带有润滑槽的青铜衬套以减小磨损。为使转向轻便，在转向支持桥下耳与前梁拳部之间可装滚子推力轴承，在转向支持桥上耳与前梁拳部之间装有调整垫片以调整其间隙。带有罗纹的楔形锁销将主销在前梁拳部的孔内，使之不能转动。1.5转向支持桥国内外研究现状与趋势转向支持桥是汽车上的重要零件,它的主要功能是承载和转向,即支撑车体重量,传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩等。因此,对转向支持桥的外形结构和机械性能有严格的要求。根据车型,转向支持桥可分为重型汽车转向支持桥、中型汽车转向支持桥、轻型汽车转向支持桥、微型汽车转向支持桥、客车转向支持桥和轿车转向支持桥六大类;按所用的材料和制造方法分为锻钢转向支持桥、铸铝转向支持桥和铸铁转向支持桥三种;按其形状特征分为长杆类转向支持桥、中心孔类转向支持桥和套管类转向支持桥三种,长杆类转向支持桥主要由杆部、法兰和枝权构成,一般多用于大中型汽车和大客车中;中心孔类转向支持桥主要由基座、法兰和枝权构成,基座中心带孔,一般多用于前桥驱动的轿车当中;套管类转向支持桥主要由长杆、套管和法兰构成。国内外诸多学者对汽车转向支持桥的研究主要有两类。第一类研究主要是对转向支持桥的制造工艺和加工方法等方面进行研究。早期生产转向支持桥采用热模锻工艺,如李尊荣研究了重型汽车转向支持桥热模锻工艺;罗晴岚等4研究了热模锻生产线上转向支持桥的工艺特点和模锻变形力等。之后,张运军、高占民等人6讨论了汽车转向支持桥及转向支持桥臂的锻造工艺,认为采用锤上锻操作方便,节省材料;董之社7采用半封闭挤压生产工艺,与锤锻相比单只锻件可节约原材料。近年来,有限元数值模拟方法逐步应用于转向支持桥的制造加工当中,如郑运廷等人8采用刚塑性有限元法对矿用汽车转向支持桥预锻成形进行二维模拟;赵德颖、孙惠学等人详细分析了轿车转向支持桥的特点和目前轿车转向支持桥成形工艺的问题,提出在 16MN闭塞液压机上采用闭塞挤压工艺成形轿车转向支持桥,并利用分析软件对成形过程进行有限元模拟;徐宁宁、陈文琳等人通过实验研究,进一步说明了有限元数值模拟技术的实用性和可靠性。国外研究者提出了转向支持桥的半固态成形工艺,并对半固态成形汽车转向支持桥进行了深入研究,取得一定进展。第二类研究主要是对转向支持桥的强度、刚度、疲劳失效等方面进行研究。冯美斌等人按照汽车行驶过程中的三种典型工况对转向支持桥进行了受力分析,在此基础上得出了转向支持桥名义工作载荷的计算方法,介绍了电动谐振式转向支持桥疲劳试验装置,并进行试验测定了 EQ140-1汽车转向支持桥以 1护次为循环基准的疲劳极限,估算了其安全系数。刘惟信在汽车从动桥设计中对转向支持桥在制动和侧滑工况下的应力进行了计算,计算中采用材料力学横力弯曲计算正应力的强度校核公式,计算结果满足许用应力值。冯大碧等人20对某型客车的左前轮转向支持桥断裂截面进行金相检验、扫描电镜,认为断裂性质为早期疲劳断裂;吴海平等人通过对 QT450-10型左转向支持桥进行化学分析、金相检查和扫描电镜下观察,认为组织中夹杂物的存在和外壁附近大量渗碳体的出现是造成转向支持桥断裂的主要原因;董启生等人22对转向支持桥的断裂原因进行了综合全面的探讨,在对其设计、加工、热处理、检验、装配及使用等一般过程存在的失效因素进行分析的基础上,提出了改进和预防的措施。此外,文献23-24习对汽车转向支持桥臂断裂的原因进行了研究,通过金相检查和扫描电镜对转向节臂的断裂截面进行宏、微观组织分析,认为断裂性质为疲劳断裂。近些年来,有限元分析软件的大量应用为分析转向支持桥提供了有力的工具。文献26-28利用有限元分析软件对转向支持桥进行了强度分析,计算了三种典型工况下转向支持桥的应力值和应力分布,得到了转向支持桥结构设计的薄弱环节,为改进设计提供了依据。郭彬彩、韩国立等人29 一 3-对某重型汽车(斯太尔)转向支持桥进行了研究,其中,郭彬彩29利用 solidworks建立了转向支持桥实体模型,通过接口导入 ANSYS中计算了典型工况的静强度;韩国立等将三维软件建立的实体模型导入 ANSYS后,应用蒙特卡洛法分析了转向支持桥的可靠性;此外,毛向阳32也研究了该类斯太尔转向支持桥,将 ProE建立的转向支持桥导入 ANSYS进行强度计算,并对转向支持桥进行了模态分析。江迎春33-35利用多体动力学软件 ADAMS计算了转向节结构中的各种载荷值,并在NASTRAN和 ANSYS中利用这些载荷值对转向支持桥进行强度计算及疲劳寿命分析,提出了解决转向支持桥疲劳寿命的计算方法,为转向支持桥疲劳寿命设计提供了思路。蒋玮36采用脚 permesh软件对某转向支持桥进行网格划分,并进行了应力分析和疲劳分析,并用试验装置验证了有限元结果的可靠性,从而建立了一条合理可行的汽车零部件开发流程。王延强、王若平等人37-39利用 ANSYS软件对转向支持桥和转向支持桥臂进行了有限元应力分析,在此基础上考虑零件材料疲劳特性、平均应力等影响因素,使用 MSC.Fatigue软件对转向支持桥和转向支持桥臂进行疲劳仿真,估算了疲劳寿命,并提出了改进疲劳强度措施,如改进零件结构以减少应力集中、降低表面粗糙度、进行表面强化处理等,最后通过疲劳仿真对改进措施的效果进行了比较分析。PeterJ 丑 eyes40同样在 Msc.Fatigue软件平台上对转向支持桥进行了疲劳仿真。Mehrdadzoroufi 以不同加工方法对转向支持桥性能影响为主要研究内容,研究了锻钢、铸铁、铸铝三种材质的转向支持桥在加工方法、制造工艺、静强度和疲劳寿命等方面的差异,以试验台架为基础对各类转向支持桥进行疲劳试验,认为锻钢转向支持桥性能较好,并对锻钢转向支持桥以减轻重量、减少加工成本为目标进行了改进优化。Robertod.Ippolit 等人基于可靠性优化设计方法,建立了长杆类转向支持桥的有限元分析模型,在有限元分析的基础上对转向支持桥的疲劳寿命进行了研究。此外,文献44-45也研究了转向支持桥的疲劳特性,分析了失效原因。从以上的国内外研究现状来看,汽车转向支持桥研究有以下几个发展趋势:(1)制造加工方法方面。转向支持桥的制造加工由普通的模锻、锤锻等锻造工艺向挤压工艺发展,并采用数值方法模拟工艺过程来预测制造过程的缺陷等;除此之外,一些先进制造技术和其他新方法也开始应用于转向支持桥的制造加工。(2)强度、使用寿命等方面。大量文献研究了转向支持桥强度失效的原因分析,通过对失效件化学分析、金相检查等,认为转向支持桥强度失效原因为疲劳断裂所致,因此,对转向节强度的研究从静态应力、满足静强度要求向动态特性、满足疲劳强度等方向发展。(3)研究分析的方法方面。转向支持桥的分析计算从传统材料力学梁弯曲理论的近似计算向有限元法等数值计算方法发展,疲劳强度的研究也向有限元疲劳仿真等方向发展,这些数值方法的应用大大提高了分析计算的精度。(4)优化设计方面。从现有的文献资料看,转向支持桥优化设计方面的研究主要在制造方法的改进方面,对其进行结构优化的研究非常少,主要原因是转向支持桥类型多样、结构复杂,结构优化设计的难度较大。近几年来,国外已呈现出对转向支持桥进行结构优化的研究兴趣,因此,该领域的研究将成为转向支持桥研究的又一重要领域和趋势。1.6 本文的主要内容转向支持桥是汽车底盘的重要总成，它直接与转向系统和悬架等相联系，用来实现汽车的转向、前轮定位和支撑作用。课题研究对象是后轮驱动汽车的转向支持桥，主要零件包括前梁、主销、转向支持桥等，这些关键零部件的设计对整个转向支持桥性能具有很大的影响。采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行转向支持桥设计不但可以获得最佳的转向支持桥基本参数，还可以大大缩短转向支持桥总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。通过本课题的研究学生可以完成理论课程的实践总结，掌握一种流行的设计方法和软件，获得一定的研究工作方法，提高科研工作素质。本文主要的设计内容如下:（1）转向支持桥主要零部件的设计；（2）主要零部件的有限元分析与优化；（3）主要零部件的设计修正；（4）在 CAE分析的基础上完成设计图纸。第二章 转向支持桥设计计算3.1 前桥的结构形式本前桥采用非断开式转向前桥。（1）前桥结构形式：无缝钢管的中间部分和模锻成型的两端拳形部分组焊而成前桥加叉形转向节主销。（2）转向节结构型式：整体锻造式。（3）主销结构型式：圆柱实心主销。（4）转向节推力轴承结构形式：滚动轴承(调心球轴承)。（5）主销轴承结构形式：滚针轴承（6）轮毂轴承结构形式：单列向心球轴承（7）轮胎螺栓：左侧左旋，右侧右旋16吨专用载货汽车参数:整车总质量：16000Kg；整车 42，后桥驱动；轴荷空载：3460/2200；轴荷满载：6000/10000。发动机最大转矩：Temax=650Nm/1400；前后轮距：1914/1860；轮胎规格：9.00R20；总布置整车参数见表 2-1：表 2-1汽车总重量Ga（N）前桥轴载重量（N）汽车质心至前桥中心线距离L （mm）汽车质心至后轴中心线距离L (mm)轴距L（mm）前轮距B (mm)前钢板弹簧座中心距 s (mm)156800 60000 1852.5 997.5 2850 1914 1200主销中心距(mm)汽车质心高度hg(mm)车轮滚动半径rr(mm)主销内倾角 主销后倾角前轮外倾角 a前轮前束（ mm）1150 840 509 6 2 1 23.2 转向支持桥主要零件尺寸的确定转向支持桥采用工子形断面的前梁，可保证其质量最小而在垂向平面内的刚度大、强度高。工字形断面尺寸值见图 3-1，图中虚线绘出的是其当量断面。该断面的垂向弯曲截面系数 Wv和水平弯曲截面系数 Wh可近似取为Wv=20a3=20303=54104 mm3 (3-1)Wh=5.5a3 =5.527000=148.5103 mm3 (3-2)式中：a工字形断面的中部尺寸，见图 3-1在设计中为了预选前梁在板簧座处的弯曲截面系数 Wv,可采用经统计取得的经验公式：W v=ml/2200=600060/2200=163.6 cm3 (3-3)式中：m作用于该前梁上的簧上质量，kg;l车轮中线至板簧座中线间的距离，cm;2200系数，kgcm-2。转向支持桥前梁拳部之高度约等于前梁工字形断面的高度，而主销直径可取为拳部高度的 0.350.45 倍。主销上、下滚动轴承（即压入转向节上、下孔中的衬套）的长度则取为主销直径的 1.251.50 倍。图 3-1 前梁工字形断面尺寸关系的推荐值转向支持桥主要零件工作应力的计算本设计对象为前述参数的货车，其有关参数为：前轴轴荷：6000kg；整车质心高度：840mm；滚动半径：508mm。主要是计算前梁、转向节、主销、主销上下轴承（即转向节衬套）、转向节推力轴承或止推垫片等在制动和侧滑两种工况下的工作应力。绘制计算用简图时可忽略车轮的定位角，即认为主销内倾角、主销后倾角及车轮外倾角均为零，而左、右转向节轴线重合且与主销轴线位于同一侧向垂直平面内，如图（3-2）所示3。图 3-2 转向支持桥在制动和侧滑工况下的受力分析简图（a）制动工况下的弯矩图和转矩图；（b）侧滑工况下的弯矩图3.3 转向从动桥前梁应力计算3.4 转向节在制动和侧滑工况下的应力计算如下图所示，转向节的危险断面处于轴径为 d1的轮轴根部，即剖面处。图 3-3 转向节、主销及转向衬套的计算用图3.4.1 工况下的转向节应力计算转向节在剖面处的轴径仅受垂向弯矩 Mv和水平方向的弯矩 Mh而不受转矩，因制动力矩不经转向节的轮轴传递，而直接由制动底板传给在转向节上的安装平面。这时可按计算其 Mv及 Mh，但需以 I3代替两式中的 I2，即 gwMv=(Z1- )l3 =（60000-1500）150=8.77 106 N mm wg (3-23)Mh= Z1 l3= m1 l3=600001.0150=9106 N mm (3-24)2G式中：Z 1前轮所承受的地面垂向反力，N；轮胎与路面的附着系数；l3轮胎中心线至剖面间的距离 150。剖面处的合成弯曲应力 为w= = =56.8 MPa (3-25)w3122.0dMhvhv322801.97式中：d 1转向节轮轴根部轴径 mm。转向节采用 30Cr,40Cr 等中碳合金钢制造，心部硬度 241285HB ，高频淬火后表面硬度 5765HRC，硬化层深 1.52.0mm 。轮轴根部的圆角滚压处理。3.4.2 在汽车侧滑工况下的转向节应力计算在汽车侧滑时，左、右转向节在危险断面处的弯矩是不等的，可按下公式求得：ML = Y1lrr- Z1Ll3 =56332.2509-56332.2150=20.2106 Nmm (3-26)MR =Z1Rl3+Y1Rrr=3667.7150+3667.7509=2.42106 N mm (3-27)左、右转向节在危险断面处的弯曲应力为= =394.5 MPa (3-28)31rlL0.dY-Zwll 3801.152.65926= =47.3MPa 31rR.lMRl 3.097.7(3-29)3.5 主销与转向节衬套在制动和侧滑工况下的应力计算在制动和侧滑工况下，在转向节上、下衬套的中点，即与轮轴中心线相距分别为 c,d 的两点处，在侧向平面和纵向平面内，对主销作用有垂直其轴线方向的力。3.5.1 在汽车制动工况下的计算地面对前轮的垂向支承反力 Z1所引起的力矩 Z1l1,由位于通过主轴线的侧平面内并在转向节上、下衬套中点处垂直地作用于主销的力 QMZ 所形成的力偶QMZ（c+d ）所平衡，故有QMZ= = =1110 N (3-30)(1dclZ0856制动力矩 Prrr由位于纵向平面内并作用于主销的力 Qmr 所形成的力偶Qmr（c+d）所平衡，故有Qmr=Prrr/（c+d）=Z 1 rrr/ (c+d) =600001.0509/（100+100）=0.310 4N (3-31)而作用于主销的制动力 Pr则由在转向节上、下衬套中点出作用的主销的力Qru、Q rl 所平衡，且有Qru= = =30000 N (3-32)(rdc106Qrl= = =30000 N (3-33)(Prdc106由转向桥的俯视图可知，制动时转向横拉杆的作用力 N 为N= = =55500 N (3-34)51rl285力 N 位于侧向平面内且与轮轴中心线的垂直距离为 l4，如将 N 的着力点移至主销中心线与轮轴中心线交点处，则需对主销作用一侧向力矩 Nl。力矩 Nl4，由位于侧向平面内并作用于主销的力偶 QMN（c+d）所平衡，故有QMN= = =27750 N (3-35)(4dcNl105而力 N 则在转向节上、下衬套中点处作用于主销的力 QNu,QNl 所平衡，且有QNu= = =27750 N (3-36)(dc105QNl= = =27750 N (3-37)(N294由图 3-3 可知，在转向节上衬套的中点作用于主销的合力 Qu和在下衬套的中点作用于主销的合力 Ql 分别为Qu= =22)()( ruMNuMZ30750210=2.7104 N (3-38)Ql= = 22)()( rlMNlMZQ 22)30()75010( =6.55104 N (3-39)由上两式可见，在汽车制动工况下，主销的最大载荷发生在转向节下衬套的中点处，其值计算所得到的 Ql。3.5.2 在汽车侧滑工况下的计算仅有在侧向平面内起作用的力和力矩，且作用于左、右转向节主销的力QMZ 是不相等的，他们分别按下式求得：QMZL= )/(1dcrYlZL )10/()85632.095632.( =11.3104 N (3-40)QMZR= )/(1dcrYlZR )10/()85367.509367.( =5.9103 N (3-41)式中：Z 1L， Z1R汽车左、右前轮承受的地面垂向反作用力，N；l1轮胎中心线至主销轴线的距离 mm;rr轮胎的滚动半径 mm;Y1L，Y 1R左、右前轮承受地面的侧向反力，N；G1汽车静止于水平路面时的前桥的轴荷，N；hg汽车质心高度，mm;B1汽车前轮轮距，mm;轮胎与路面的侧向附着系数，计算时可取 =1.0. 图 4-8 主销网格划分4.5边界处理转向支持桥与汽车底盘中的悬架、前车轴、转向系统和制动器等相互联接配合,以本文研究的转向节为例,其中心大孔与前桥驱动轴配合承受整车重量,上、下端分别与减振器、下控制臂连接,右端(此处研究的是左前轮使用的转向节)的转向拉臂与转向系统连接起到转向作用,左边两个配合凸耳及孔与盘式制动器的制动底板固定。在处理转向节的边界条件时,必须先理清楚转向节与之相关联接零部件之间的装配关系。转向节的类型首先取决于所使用的悬架的形式。在轿车中与转向驱动桥配用的悬架形式主要有双叉式(包括双横臂式、双纵臂式),双叉式悬架采用长杆类转向节,转向节上、下端与双叉式悬架的上、下控制臂相连接,伸出的长杆与前轮轮毅连接;麦弗逊式悬架采用中心孔类转向节,转向节上端与筒式减振器相连,下端与横拉杆等相连,中心孔与车桥配合与轮毅相连。本文涉及的悬架类型是钢板弹簧悬架,前车桥采用转向驱动桥。在转向驱动桥的驱动车轮传动装置中,半轴需采用分段式的,并用万向节联接起来,以便使转向车轮能够转向,减振器的轴线相当于主销,转向节的上端通过 U型夹与减振器连接,下端与控制臂铰接,在转向时,转向节可绕减振器轴线进行转动,以达到前轮偏转的目的。转向系的转向传动机构将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节,使两侧转向轮偏转,转向节处于汽车转向系传动机构的末端,是转向系用于汽车转向的执行部分。支持桥因受到钢板弹簧悬架的压力，应施加一定的压力。且与转向节的轴连接，销轴孔受约束，且端部底面全约束。针对汽车行驶过程和汽车设计手册有关要求,对转向节的载荷情况按照汽车行驶时的三种典型工况(即三种危险工况)进行计算,计算中使用的载荷均为名义计算载荷。汽车行驶的三种典型工况及其载荷为:(1)汽车越过不平路面工况,此时受到地面的冲击载荷;(2)汽车紧急制动工况,此时受到地面纵向冲击载荷及汽车的惯性力;(3)汽车转向侧滑工况,此时受到横向冲击载荷。表.3 三种典型工况的计算载荷图 支持桥的边界定义图 转向节的边界定义图 4-9 主销的边界定义4.6运算及结果分析通过 ANSYS计算器运算后得其需要的变形应力应变的分布云图。如图图 4-11支持桥的位移云图（最大变形 0.508mm）图 4-12支持桥的应力云图（最大应力 70.66MPa）图 4-13支持桥的应力云图（最大应变 0.0003）图 4-14 转向节的位移云图（最大变形 0.107mm）图 4-15 转向节的应力云图（最大应力 62.42MPa）图 4-16 转向节的应力云图（最大应变 0.0003）图 4-17 主销的位移云图（最大变形 0.02mm）图 4-18 主销的应力云图（最大应力 83.755Mpa）图 4-19 主销的应变云图（最大应变 0.0004）通过对汽车转向支持桥各关键零部件进行有限元分析，强度应力变形分布得到相应的改进，在零件拐角处有应力集中现象，需对其进行倒圆角过流，另外转向节的结构设计较为合理，且变形受力都是允许范围之内，有得进一步优化支持桥，因为其桥的材料为铸铁，重量较重，为对汽车轻量化设计，有必要对其进行优化设计。4.7优化分析4.7.1优化的数学模型设计方案是由若干设计参数决定,这些设计参数可以是构件长度、截面尺寸、某些点的坐标值、零件的直径和长度等,也可以是弹性模量、许用应力等,优化过程中,那些不断修改、调整,一直处于变化的设计参数即为设计变量,从理论上讲,设计参数只要可以参数化为 ANSYS选项,都可以作为设计变量进行优化。一般来说,设计变量数越多,优化过程也就越复杂,其数学表示为一个 n维列向量(n是设计变量数),即该向量表示 n维空间上的一个点,以设计变量为坐标轴所构成的空间称为设计空间,一般情况下,设计变量的个数就