基于ANSYS的汽车转向节分析

唐尚斌 韦健毫

摘要：转向节是汽车的重要零件，若转向节在汽车行驶过程中出现破坏，则极有可能发生严重的安全事故。本文以某车型的转向节为例，利用ANSYS软件主要研究了转向节在紧急制动、转向侧滑和越过不平路面三种工况下的受力情况，得到应力分布云图来反映其强度特性，以此来确定该零件是否满足设计要求，对转向节这类零件的强度分析具有借鉴意义，也为转向节的优化设计指明了方向。

关键词：转向节;ANSYS;应力;强度

1研究背景

转向节是汽车转向系统中最重要的一个零件。因为转向节用来连接车身与车轮，承受簧上质量，并保障转向系统能顺利且稳定地运行。在车辆实际行驶过程中，转向节的工作环境极其复杂。车轮的转向是靠转向节带动的，因此转向节需承受的载荷较多，例如来自路面的垂直反作用力，制动时的制动力矩，转弯时的侧向力等。如果转向节在汽车行驶过程中出现断裂现象，极有可能导致安全事故发生。转向节的机械性能直接影响汽车的安全性能。因此，在设计时对转向节的强度提出了更高的要求。目前对转向节的设计还没有一套完备的理论计算及校核公式，设计人员往往是凭借经验，所以传统的设计流程是：设计→首件试制→实验测试效果→不满足设计要求→再设计→再制造→再实验……在这样的流程下，不仅成本过高，而且设计周期很长。使用ANSYS软件先对转向节的三维模型进行有限元分析，使其强度满足设计后，再首件试制和实验测试可以有效减少零件开发周期和成本。

2转向节的结构

转向节是由支承轴颈、法兰盘和叉架三部分组成。转向节是通过主销将车轮与汽车前轴连接在一起，从而实现转向。转向节两个圆孔是用来安装主销，销孔处于同于中心线上，使转向节通过主销与前轴连接，并通过法兰盘上的制动器安装孔与制动系统相连。转向节的上部通过转向节臂与转向直拉杆连接，而下部则是通过梯形臂与转向横拉杆连接，两者均采用螺栓连接。

3 基本分析参数

转向节主要承受来自于地面对车轮的支撑力、汽车行驶过程中复杂多变的冲击力以及汽车制动时的制动力矩，此外汽车在转向时，转向节还要承受转向力以及与其他零部件相互作用产生的力矩。这些载荷主要分为整车前部悬架质量产生的静载和车辆行驶中产生的动载。本文选择三种典型的危险工况对转向节进行分析计算，使用的分析参数如表1。

4转向节有限元分析

4.1建立有限元模型

首先建立转向节的三维模型，以保留主要承受载荷的部分的原则对非主要部分进行适当简化，如省略倒角。再导入ANSYS中，设置材料为40Cr，弹性模量211GPa，泊松比0.3，密度7.83×10^3kg/ m?，抗拉强度980 MPa，屈服极限785 MPa，许用应力393 MPa。采用四面体单元进行网格划分，设定网格的大小为14mm，从而建立了转向节的有限元模型，网格节点数29369，单元数17336。

4.2强度分析

4.2.1紧急制动工况

紧急制动是车辆行驶过程中常遇到的情况，转向节在该工况中承受垂直静载和制动力。设前向行驶方向为X方向，车轴方向为Y，垂直于地面方向为Z，则转向节大轴颈中心大孔处受到传递过来的垂直方向反力和纵向反力，并且对转向节的上、下球销进行约束。另外车轮轮毂安装于轴承，制动时附加转矩由制动地板固定凸耳承受，转向节轴颈不受转矩作用。

前轴载荷为：

G为汽车满载时总质量（N），为重力加速度，取=9.8N/kg，为地面附着系数，一般为0.7～1，本文取=0.8。

垂直方向反力：

纵向反力：

转向节在紧急工况的应力云图见图2。

4.2.2侧滑工况

侧滑是汽车转向时容易出现的一种危险情况，特别是在路面湿滑的条件下，侧滑现象更易出现。车辆在滑动过程中，转向桥的左右两侧转向轮上会出现大小不同的侧向力、。由于作用在转向轮上的侧向力所产生的力矩和地面对转向轮的垂直反作用力所产生的力矩方向不同，从而导致左、右转向节的轴颈处产生出现差别的弯矩。以汽车向左侧滑为例， 汽车左转向节所承受的侧向力的力矩远大于右转向节。

侧向力为：

其中，为前轴轴荷（N），为侧向滑移附着系数，一般取=1，因此，

垂直反作用力为：

由于是作用在前轮上，把力等效到转向节的轴颈上时，附加上平移时转向节承受的力矩：

转向节在侧滑工况的应力云图见图4。

4.2.3越过不平路面

汽车在越过不平路面的过程中，来自地面的反作用力传递到转向节，从而让转向节承受往复振动且带有冲击性的动载荷，因此车辆运行在越过不平路面工况的动载系数最大。在该工况下，转向轮受到垂直方向作用力，并以振动的形式上下运动产生冲击。

承受冲击载荷作用于转向节的力为：

其中，k为动载系数，一般为1.75～2.5，本文取k=2.5。

转向节在越过不平路面工况的应力云图见图6。

计算结果分析：

1.40Cr属于塑性材料，在实际工程问题计算并进行强度分析时，通常把材料的屈服极限看作材料的极限应力，所以材料40Cr的极限应力为785 MPa。

2.通过比较上述三种工况的应力云图可以得知：转向节在三种工况中应力主要分布在转向节的轴颈处，并且在（向左）侧滑工况中所受到的应力是该三種工况中最大的，是721.96MPa，但小于材料的极限应力，因此该转向节的设计符合强度要求。在实际工况中，车轮受到的冲击载荷对转向节的强度影响也比较大，而且应力的变化比较复杂，因此，在设计转向节时，需要添加过渡的倒圆角来防止转向节一受到冲击就容易开裂的现象发生。

结语：

汽车关键零部件的可靠性直接影响到整体的安全性能和使用寿命，从而影响使用者对汽车质量的放心程度。本文虽然对某型汽车的转向节进行了三种经典工况的强度分析，为转向节的设计或优化提供了可靠参考，但是仅靠这些数据还不足以支撑转向节的完整设计，还需对其进行更多的研究，并促使我们在汽车零部件制造领域中继续探索。

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