汽车转向节有限元分析—客车技术

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1、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：AnalysisofAutomobileSteeringJointBasedonNASTRANJIANGYingchunChenWuwei(SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering,Hefei230009

2、)Abstract:Thispaperanalyzethenecessaryofthefiniteelementsanalysisapplyforautomobile.MakesfiniteelementanalysisforthesteeringknuckleofacertaintypeofcarbyusingPATRANandNASTRANandcalculatestheknuckle’sstressanddeformationcharacteristics.Pointsouttheweakpointofdesignintheoriginalstructure，whichisregard

3、edasthebasisforimprovement．Keywords：steeringjoint;finiteelementanalysis;stressanddeformation;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

4、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UG4．0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0．5mm，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

5、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。5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

6、。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

7、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