文獻綜述--基于ansys的轉向節(jié)強度分析

1、<p>　　基于ANSYS的轉向節(jié)強度分析</p><p><b>　　1.前言</b></p><p>　　轉向節(jié)是汽車轉向橋上的主要零件之一，形狀比較復雜，集中了軸、套、盤環(huán)、叉架等四類零件的結構特點，主要由支承軸頸、法蘭盤、叉架三大部分組成。支承軸頸的結構形狀為階梯軸，其結構特點是由同軸的外圓柱面、圓錐面、螺紋面，以及與軸心線垂直的軸肩、過渡圓角和端面

2、組成的回轉體；法蘭盤包括法蘭面、均布的連接螺栓通孔和轉向限位的螺紋孔；叉架是由轉向節(jié)的上、下耳和法蘭面構成叉架形體的。</p><p>　　轉向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷，支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，其使用是否可靠直接關系到車輛的行駛安全性，因此利用ANSYS軟件對轉向節(jié)零部件進行強度分析十分必要。ANSYS軟件可以較全面地對汽車結構進行分析計算，能顯著減少設計

3、與制造費用，增強對所設計產品的信心，在汽車零部件設計和整車結構設計的模態(tài)分析等領域將具有廣闊的應用前景[1]。</p><p>　　2.轉向節(jié)鍛件結構類型</p><p>　　根據綜合鍛造方位與形體要素組合差別, 建議將常見轉向節(jié)鍛件結構歸類如下。</p><p>　　(1) 臥鍛“軸- 盤- 叉”結構(代號H1) 轉向節(jié)鍛件。這是一種經典結構(圖1) , 在中、輕

4、型卡車的轉向橋上應用最多, 產量也最多。</p><p>　　(2) 臥鍛“軸—盤—叉—臂”結構(代號H2)轉向節(jié)鍛件。這種結構在H1 類的叉上附加了臂,復雜程度高。目前應用不多, 已見報道應用于某客車轉向橋(圖2) 。</p><p>　　(3) 臥鍛“軸—盤—筒—臂”結構(代號H3)轉向節(jié)鍛件。這種結構的軸、盤與H1 和H2 類似,但以筒(一般為盲孔) 替代了耳(叉) , 臂附著于筒側

5、(圖3) 。應用于微型車轉向橋。</p><p>　　(4) 立鍛“軸—盤—叉”結構(代號V1) 轉向節(jié)鍛件。這是立鍛的經典結構, 其特點是在盤部鍛出了臥鍛無法成形的凹穴(圖4) , 便于成形較大間距的叉部。應用于多種車型的轉向橋。</p><p>　　(5) 立鍛“軸—盤—叉—臂”結構(代號V2)轉向節(jié)鍛件。這種結構在V1 類的盤上附加了臂(圖5) , 復雜程度提高。應用于多種車型的轉向

6、橋或轉向驅動橋。</p><p>　　(6) 立鍛成形的“軸—盤—臂”結構( 代號V3) 轉向節(jié)鍛件。這種結構是V2 類的一種簡化(圖6) , 盡管盤結構較V1 和V2 復雜, 但總體復雜程度與V1 類相當。已見應用于中巴轉向橋。</p><p>　　(7) 立鍛“盤—叉—臂”結構(代號V4) 轉向節(jié)鍛件。這是一種用于轉向驅動橋的轉向節(jié), 中央部位的過孔長徑比不大, 但又不便沖出通孔, 孔

7、內加余塊, 可看作盤附帶了臺階(圖7) , 是V2 類另一種簡化。</p><p>　　(8) 立鍛“孔—盤— (叉—) 臂”結構(代號V5) 轉向節(jié)鍛件。這也是一種用于轉向驅動橋的轉向節(jié), 其結構的明顯特點是中央需沖孔(圖8) ,盤、叉、臂與V2 類似, 臂特別長的V5 類(圖8b)就轉化為大頭帶枝叉、小頭有彎曲的連桿類鍛件。V4 , V5 類一般應用于轎車或小型越野車。</p><p>

8、;　　此外, 還有一些結構復雜程度更高的轉向節(jié)鍛件, 主要體現在帶有2 支或2 支以上空間彎曲的臂(圖9a) 。也有結構復雜程度較低的轉向節(jié)鍛件, 如某轎車的“孔—盤—耳”結構轉向節(jié)鍛件(圖9b) 、某微型車的“軸—盤—筒”結構轉向節(jié)鍛件( 圖9c) 、某吉普車的“軸(切削成孔) —球碗”結構轉向節(jié)鍛件等[2]。</p><p>　　3.有限元模擬在汽車轉向節(jié)鍛造設計中的應用</p><p&g

9、t;　　近年來，有限元模擬技術得到了迅速發(fā)展，并被應用到轉向節(jié)鍛造過程的數值模擬中。國內這方面的研究有：參考文獻[3 ,4]采用數值模擬軟件分別對汽車轉向節(jié)和汽車半軸套管成形過程進行模擬優(yōu)化,改進了模鍛工藝,達到了預期效果,并應用于實際生產中。[5]文獻 [6]以STEYR 轉向節(jié)為例，采用剛塑性有限元模擬計算程MAFAP，通過選取典型截面，對變形過程進行了模擬。文獻[7]提出了一種基于歐拉描述的有限變形軸對稱有限元計算方法，并用其模擬

10、轉向節(jié)的鍛造成形過程。文獻[8]利用DEFORM 軟件針對奔馳重卡轉向節(jié)的擠壓鍛造進行了有限元分析。文獻[9]采用三維有限元法對某異形轉向節(jié)熱成形工藝過程進行了模擬分析。以上研究，通過不同的有限元方法對轉向節(jié)的鍛造過程進行了模擬，并通過實驗驗證了有限元鍛造過程模擬的有效性。</p><p>　　Deform3D有限元分析軟件在轉向節(jié)鍛造設計有廣泛的應用。運用Deform3D有限元分析軟件對轉向節(jié)兩種坯料成形過程進

11、行模擬分析，通過成形過程中金屬的流動情況，可以確定合理的制坯形狀，根據模擬確定的毛坯可以成功地試制出盤式轉向節(jié)模鍛件。通過有限元模擬技術進行虛擬的材料加工過程，比較和判斷坯料的合理性，可以極大地節(jié)省生產成本和提高生產效率。[10]</p><p>　　用Deform3D有限元分析汽車轉向節(jié)鍛造過程模擬</p><p><b>　　鍛件溫度場分析</b></p&g

12、t;<p>　　上圖為轉向節(jié)預鍛件溫度場分布圖?？梢钥闯觯懠蟛糠謫卧獪囟却笥诔跏紲囟?100℃，最高溫度達到1170℃，因此，預鍛過程熱效應要大于鍛件向模具和環(huán)境的傳熱效應。鍛件飛邊的溫度要高于鍛件本體，特別是叉部之間的飛邊，由于變形最劇烈，溫度也相應最高。對于鍛件本體，叉部的整體溫度要高于法蘭和桿部。法蘭中部單元由于和模具接觸時間長，形成了一個溫度相對較低的區(qū)域。桿部也存在這個現象，從截面圖中可以看到，桿部靠近法蘭的

13、一端由于鍛造過程中始終同模具型腔接觸，坯料的熱量逐漸向模具擴散，使得坯料內部形成了一個溫度按一定規(guī)律降低的區(qū)域。桿部遠離法蘭的一端由于是最后鐓粗形成的，熱效應使其溫度降低變慢。</p><p><b>　　應力場和應變場分析</b></p><p>　　應力、應變是塑性成形理論研究的重要參數。等效應變是一個積累值，可以反映鍛件的整體變形情況。下圖預鍛過程坯料形狀變化及

14、等效應變速率是預鍛件的等效應變圖和分布情況，型腔等效應變分布比較均勻，大部分區(qū)域等效應變不超過2.4。飛邊的等效應變主要在2.4—3.5</p><p>　　之間，最大等效應變?yōu)?.4，出現在叉部之間區(qū)域。從等效應變分布可以看出鍛件鍛透性良好，從而保證了鍛件具有良好的鍛后組織和較高的力學性能。[10]</p><p>　　4.有限元模擬在汽車轉向節(jié)強度分析中的應用</p>&

15、lt;p>　　轉向節(jié)是汽車行駛系統(tǒng)的關鍵零件,它承受轉向輪的負載以及路面?zhèn)鬟f來的沖擊,同時還傳遞來自轉向器的轉向力實現對汽車行駛方向控制,在強度、抗沖擊性、疲勞強度以及可靠性方面都有很高的要求。因而,應力分析、應變分析和位移分析是轉向節(jié)設計過程中必不可少的環(huán)節(jié)之一。利用ANSYS軟件對轉向節(jié)結構強度進行有限元計算，可以較全面地對汽車結構進行分析， 能顯著減少設計與制造費用，增強對所設計產品的信心， 有限元法在汽車零部件設計和整車結

16、構設計的模態(tài)分析等領域必將具有廣闊的應用前景。[1]</p><p>　　目前國內這方面的研究有：陳黎卿等[1]利用ANSYS軟件對轉向節(jié)的受力按照3種危險工況進行計算分析，即緊急制動工況、側滑工況和越過不平路面工況對轉向節(jié)結構強度進行了有限元計算。江迎春等[11]采用B 級路面譜輸入ADAMS 軟件建立的整車模型, 得到轉向節(jié)的載荷譜,并在ANSYS 中建立了某型轎車轉向節(jié)的有限元分析模型, 對其進行了靜力強度

17、計算, 通過名義應力法并結合QT500- 7 材料的S- N 關系, 利用ANSYS 中的Fatigue 模塊進行了結構整體的疲勞壽命計算。王紅衛(wèi)等[12]在ANSYS中應用蒙特卡洛方法就制動工況進行可靠性有限元分析和影響轉向節(jié)安全性的靈敏度指標分析,為礦用汽車關鍵部件設計提供理論指導。</p><p>　　用ANSYS軟件進行礦用汽車轉向節(jié)的可靠性分析模擬</p><p>　　選取礦用汽

18、車轉向節(jié)的緊急制動工況進行可靠性分析, 在利用ANSYS 進行可靠性分析中提取最大位移和應力值作為可靠性分析的控制目標。圖1 是緊急制動工況下轉向節(jié)的等效合成位移和應力分布圖。[12]</p><p>　　在進行轉向節(jié)可靠性分析時,轉向節(jié)幾何尺寸為均勻分布隨機變量,彈性模量服從高斯分布,驅動力和軸荷分布類型定義為對數正態(tài)分布。提取靜態(tài)分析時輪輻上的最大應力和最大變形作為可靠性分析的控制指標參數,它們均服從正態(tài)分布

19、。[12]</p><p>　　圖2中的2號線是最大總位移的均值,1號、3號2條線分別是它的置信區(qū)間的上下限。從圖2中可以看出,在給定置信度為95 %時,最大位移為1. 447 mm,沒有達到允許的最大位移量,是可靠的。圖3中2號線是最大合成應力的均值,1號、3號2條線分別是它的置信區(qū)間的上下限。從圖3 中可以看出,在給定置信度為95 %時,最大合成應力為291 MPa ,是可靠的。[12]</p>

20、<p>　　5.轉向節(jié)斷裂事故原因分析</p><p>　　為了找出導致事故的原因，探討避免此類事故的措施，，對可能的故障原因進行分析很有必要。</p><p>　　該車轉向節(jié)臂斷裂的部位如圖1 所示，這個部位除了應力集中外，也是轉向節(jié)中受彎矩最大的部位，因此不論何種原因造成的轉向節(jié)臂斷裂，一般都出現在此部位。斷裂處的斷面圖如圖2 所示，從圖2 可以看出，斷面中粗糙面約占40%

21、，光滑面約占60%，且光滑面在下，</p><p>　　粗糙面在上，說明裂紋是自下而上發(fā)展的，即裂紋延伸至整個截面的60%時，剩余部分的強度不足以承受正常行車時的沖擊振動，所以折斷。由于轉向節(jié)對行車安全有著極大的影響，一般情況下，合格產品的強度、剛度都是有保證的，從我公司的使用情況來看，十幾種不同規(guī)格型號的汽車多年來也從未發(fā)生過轉向節(jié)臂斷裂的情況，所以我們認為造成這次轉向節(jié)臂斷裂的主要原因是該轉向節(jié)的品質有問題。

22、轉向節(jié)存在內部缺陷（氣泡、裂紋等），或所用材料未達到設計要求，加工工藝不正確，加工質量不過關等，都會直接影響轉向節(jié)的使用壽命。從斷裂的轉向節(jié)外觀分析，盡管其尺寸沒有明顯錯誤，但外觀略顯粗糙，有“副廠”產品之嫌。目前，汽車配件市場魚龍混雜，消費者很難對產品品質的優(yōu)劣做出辨別。事故帶來的啟示：為了減少此類事故的發(fā)生，提高汽車行駛的安全性，需要注意以下幾個方面：1）正確駕駛操作，2）認真維護保養(yǎng)，3）做好維修工作。[13]</p>

23、<p>　　6.轉向節(jié)的故障分析與修理</p><p>　　630E 型車轉向節(jié)構件包括轉向軸和轉向節(jié)臂。轉向軸和轉向節(jié)臂均采用鑄造毛坯, 經焊接連成一體, 構成一個極為復雜的空間受力構件(圖1)。[14]</p><p><b>　　故障原因分析</b></p><p><b>　　1，材質的影響</b>&

24、lt;/p><p>　　因轉向軸、轉向節(jié)臂均采用高強度鑄鋼加工成形,所以其強度指標高, 韌性指標低, 在拉壓隨機載荷的作用下, 這樣的高強度鋼對應力集中敏感性大, 易產生疲勞破壞。</p><p><b>　　2，結構尺寸的影響</b></p><p>　　從轉向節(jié)構件結構尺寸來看, 在開裂處, 轉向臂厚度為46. 5mm , 采用大柱面, 而轉向

25、節(jié)臂厚度為51mm ,采用箱形結構。這樣在轉向軸與轉向節(jié)臂相接處, 即開裂位置的幾何形狀急劇變化, 導致剛度突變。另外, 由于結構所致, 在轉向軸與轉向節(jié)臂相接處形成尖角, 產生</p><p>　　了較嚴重的應力集中, 使疲勞強度降低。</p><p>　　3，鑄件毛坯及焊縫質量的影響</p><p>　　就轉向軸來說, 開裂處鑄造面積大, 鑄造時易產生缺陷。特別

26、是焊接的影響, 因為材料碳當量高達0. 68,故焊接性能差, 存在著焊接缺陷和較大的焊接殘余應力, 這也是疲勞強度降低的主要原因。</p><p><b>　　6　結構改進</b></p><p>　　(1) 要求生產廠家加大焊接處圓柱面的厚度(圖2)。臂厚由原46. 5mm 加大至85mm , 從而提高了圓柱面的剛度, 減小了與轉向節(jié)臂剛度的差異, 避免了焊時形成的

27、尖角, 有效地減少了應力集中的影響。</p><p>　　(2) 加焊兩條加強筋。筋板厚度為30mm , 減小了因相接處幾何形狀的變化而造成的剛度變化, 提高了疲勞強度, 具體尺寸見圖2。[14]</p><p>　　7.有限元在轉向節(jié)成形過程模擬分析中的應用</p><p>　　轉向節(jié)的成形過程是一個復雜的彈塑性大變形過程，模具形狀、毛坯形狀、材料性能、溫度及工藝

28、參數等均對其質量有影響[15]，轉向節(jié)的成形工藝傳統(tǒng)的研究方法主要采用“經驗法”，這種基于經驗的設計方法往往經歷反復修正的過程，從而造成了大量的人力、物力及時間浪費. 伴隨傳統(tǒng)的塑性加工技術和現代計算機技術全方位的密切結合，傳統(tǒng)的經驗設計方法已逐漸被模擬式設計所代替. 作為一種有效的數值計算方法，國內外已開發(fā)了許多商用軟件，如常見的DEFORM、MARC 等，這些軟件多適用于分析解決二維或三維的金屬塑性成形問題。[16]</p&g

29、t;<p>　　采用DEFORM軟件對礦用汽車轉向節(jié)進行預鍛成型分析，可得到金屬塑性變形過程的金屬流動、應力應變等規(guī)律，進行模具變形力分析，預測出可能的缺陷及失效形式. 為轉向節(jié)設計提供理論依據。</p><p>　　8.轉向節(jié)參數優(yōu)化設計</p><p>　　在Deform軟件中模擬轉向節(jié)閉模終鍛的過程,通過改變模具型腔</p><p>　　墩頭、桿

30、部過渡圓弧半徑和耳部拔模斜度參數的大小,對比不同參數對鍛壓過程中鍛壓力變化規(guī)律和應變、溫度分布規(guī)律的影響,選擇合理模具參數。[17]</p><p><b>　　數值模擬及分析</b></p><p>　　下模墩頭與耳部過渡圓弧半徑對成形的影響</p><p>　　圖4是過渡圓弧半徑分別為5 mm, 10 mm, 15 mm時在Z 軸方向上的壓

31、力曲線圖;圖5是過渡圓弧半徑分別為5 mm,10 mm, 15 mm 時應變圖,圖6 是過渡圓角分別為5 mm, 10 mm, 15 mm時溫度變化圖.從圖4 Z軸壓力曲線圖上可以看出,耳部過渡圓弧半徑為10 mm 時,成型終了時最大壓力最小,并且成型過程中壓力曲線上下波動輕微,曲線連續(xù)性較好;從圖5應變圖上可以看出,隨著過渡圓弧半徑的增大,坯料應變分布逐漸均勻,過渡圓弧半徑為15 mm時應變分布最均勻;從圖6溫度圖上可以看出,過渡圓弧

32、半徑從5 mm到15 mm時,終鍛溫度分布規(guī)律幾乎一致. 綜合考慮, 過渡圓弧半徑取10 mm左右為宜.</p><p>　　耳部拔模斜度對成形的影響</p><p>　　轉向節(jié)的耳部拔模斜度的大小對成形過程也有一定的影響,現在分別取拔模斜度為3°, 5°, 7°,運用Deform軟件模擬成形過程,分析成形過程中壓力、應變以及溫度變化的規(guī)律。圖7是拔模斜度分別

33、為3°, 5°, 7°時在Z 軸方向上的壓力曲線圖；圖8是拔模斜度分別為3°, 5°, 7°時應變圖;圖9是拔模斜度分別為3°, 5°, 7°時溫度變化圖.從圖7 Z軸壓力曲線圖上可以看出,拔模斜度為3°時,成型終了時壓力最大,當拔模斜度為7°時,壓力最小,但是拔模斜度從5°到7°壓力曲線基本一致, 5

34、76;時壓力曲線波動較小,曲線平滑,連續(xù)性較好。從圖8應變圖上可以看出,拔模斜度為5°時最大應變最小。從圖9溫度圖上可以看出,三者的終鍛溫度一樣。綜合考慮,拔模斜度</p><p><b>　　5°左右為宜。</b></p><p><b>　　[參　考　文　獻]</b></p><p>　　[1] 陳

35、黎卿1, 譚繼錦2, 姜武華3.基于ANSYS 的轉向節(jié)有限元分析.1.安徽農業(yè)大學工學院,安徽合肥230036；2.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽合肥23009.</p><p>　　[2] 張如華1 , 韓向銀1 , 趙一平2 , 宋興安3 , 繆桃生4 , 朱德嵩5.明晰汽車轉向節(jié)鍛件結構類型的初步建議. 1. 南昌大學機電工程學院, 江西南昌330031; 2. 東風汽車有限公司鍛造廠, 湖北十堰

36、442052 ;3. 江西運良鍛壓有限公司, 江西新余336600 ; 4. 上海愛知鍛造有限公司, 上海200433 ;5. 南京汽車鍛造有限公司, 江蘇南京210033</p><p>　　[ 3 ] 尹德峰,孟廣耀,劉高君.數控銑削加工曲面時刀具軌跡的研究[J ] .機械設計與制造,2007，(4):112—113.</p><p>　　[ 4 ] 熊放明.數控平行銑削中球頭銑刀行距

37、的確定[J ].機械工程師,2005 ,(1):34—35. </p><p>　　[5] 朱小兵1 , 肖來斌2 , 陳文琳1.輕卡轉向節(jié)鍛造成形有限元分析 1. 合肥工業(yè)大學　材料科學與工程學院, 安徽合肥230009 ;2. 合肥汽車鍛件有限公司, 安徽　合肥　230009.江漢大學機電學院，武漢430056</p><p>　　[6] 楊青春，于滬生，余寧.汽車轉向節(jié)成形過程的有限

38、元數值模擬[J].塑性工程學報，1996，9（3）:47-53.</p><p>　　[7] 王紅衛(wèi)，黃文彬.基于有限變形的轉向節(jié)鍛造成形過程模擬[J].塑性工程學報，2007，14（5）:76-78.</p><p>　　[8] 蔣鵬，方剛，曹世金，余光中.奔馳重卡轉向節(jié)擠壓鍛造復合</p><p>　　工藝的有限元分析[J].鍛壓技術，2005，（1）:22-2

39、7.</p><p>　　[9] 周杰，孫小孟，權國政，艾德文.異形轉向節(jié)工藝設計及成形分</p><p>　　析[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（5）:37-39.</p><p>　　[10] 程聯軍1，趙國群1，管延錦1，楊建華2. 有限元模擬在汽車轉向節(jié)鍛造設計中的應用. 1.山東大學材料科學與工程學院，山東濟南250061；2.山東光岳轉向節(jié)總廠

40、，山東聊城252000</p><p>　　[11] 江迎春, 陳無畏. 基于ANSYS 的轎車轉向節(jié)疲勞壽命分析. 合肥工業(yè)大學, 合肥230009</p><p>　　[12] 王紅衛(wèi), 韓國立. 基于ANSYS 的礦用汽車轉向節(jié)可靠性分析. 鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院, 鄭州450002</p><p>　　[13] 王干汀. 一例轉向節(jié)斷裂事故的啟示.

41、廣東</p><p>　　[14] 羅泉根. 礦用汽車轉向節(jié)的故障分析與修理. 江西銅業(yè)公司德興銅礦</p><p>　　[15] 王紅衛(wèi)，韓國立. 轉向節(jié)成型變形力的計算[J]. 鄭州輕工業(yè)學院學報，2006，21（1）：37- 39. </p><p>　　[16] 鄭運廷1， 馬宇2， 姬振華3. 礦用汽車轉向節(jié)成型過程模擬分析. 1. 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院