汽车转向节有限元分析与优化设计

麦弗逊悬架转向节强度分析与优化设计王廷喜;林涌周;谷玉川;王更胜;黄秀成;黄广三【摘要】以某轿车麦弗逊悬架转向节为研究对象,根据汽车实际行驶工况,结合转向节装配件边界条件,采用有限元法分析了转向节在各个工况下的应力分布,并针对转向节在各工况下的受力特点,对转向节原始方案进行了优化,通过进一步计算分析、台架试验以及整车试验,验证了转向节优化方案的可行性和可靠性.提出的转向节结构优化设计方法,特别是在制动工况下卡钳支耳受力特点与规律,可为各类车型转向节轻量化设计提供参考.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】5页(P30-34)【关键词】麦弗逊悬架;转向节;有限元法;优化设计【作者】王廷喜;林涌周;谷玉川;王更胜;黄秀成;黄广三【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州510640;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州510640【正文语种】中文0 前言转向节是汽车重要的安全件之一，它不但要承载车身通过悬架传递给它的载荷，还要承载地面通过轮胎对它的反作用力;同时，在车辆转向过程中承受转向器对它的拉力或者推力。

其服役条件对转向节结构强度和可靠性提出了较高的要求［1－3］。

汽车转向节正向开发一般包括概念设计和详细设计两个阶段，概念设计阶段以悬架硬点和周边件装配边界为依据，采用CAD软件设计出基本的转向节概念数据。

但往往概念数据的制造工艺性较差，且存在较大的减重空间;有限元法在转向节设计优化方面应用越来越广泛［4－6］，在转向节详细设计过程中，可借助有限元软件对结构进一步分析、优化，并结合台架试验和整车验证，确保正向开发转向节的可行性和可靠性［7－9］。

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 knuckle’s stress and deformation characteristics. Points out the weak point of design in the original structure，which is regarded as the basis for improvement．Key words：steering joint; finite element analysis; stress and deformation; NASTRAN;1 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。

某型转向器壳体的有限元分析及优化摘要：对某车型转向器壳体进行有限元分析，首先对壳体进行受力分析，计算出壳体所受各荷载，然后对壳体进行有限元分析，最后对壳体进行局部优化。

按有限元分析结果，对壳体安装孔局部进行了优化，提升了壳体结构的力学性能，对转向器的壳体设计提供了实际工程价值。

11、引言汽车转向机是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构。

按照传动方式的不同，可以将转向机分为齿轮齿条式转向机、循环球式转向器、蜗杆滚轮式转向器等[1]。

其中，齿轮齿条式机械转向器具有结构简单、制造方便、操作灵敏度高，寿命长等特点，因此当今中小型乘用汽车多采用齿轮齿条式机械转向器[2]。

齿轮齿条式转向器的工作原理是：在转向过程中，驾驶者通过方向盘施加一定的扭力，此时传感器收集到当前的扭矩和车速信号，经过转换后的电信号被传递给电子控制单元（ECU），ECU经过处理、分析，选择出合适的助力策略，并确定助力转矩的大小和方向，进一步反馈给电机输出电流，电机经离合器、减速机构将输出的转矩施加给主动力齿轮，进一步牵引转向齿条完成助力[3]。

齿轮齿条式转向器主要由壳体、小齿轮、齿条、横拉杆、传感器以及助力机构等组成。

其中，壳体是转向器中的关键零部件之一，在整个转向系统中不仅起到安装固定作用，还承受着齿轮齿条啮合产生的作用力和来自地面的冲击反力，所以对于转向机壳体的疲劳以及静强度有比较高的要求。

故在转向器的设计之初，需要对转向机壳体进行有限元分析，使得壳体能满足性能要求。

2、壳体受力分析本文所分析的壳体结构如图1所示。

壳体材料为ADC12，弹性模量70000MPa，泊松比0.33，密度为2.70×10-6Kg/mm3。

图1 壳体几何模型转向机壳体所受载荷来源于两部分：一部分来自齿轮齿条啮合产生的力，通过轴承作用到壳体上；另一部分来自齿条弯曲变形所产生的力，通过压块和齿条衬套传递到壳体上。

现分别对这两部分的力进行分析：小齿轮与齿条啮合产生三个方向的力，分别是：轴向力、径向力和切向力。

汽车转向节有限元分析与优化设计的开题报告1. 研究背景随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，汽车逐渐成为人们生活中不可缺少的交通工具。

而汽车的安全性和舒适性一直是人们关注的重点。

汽车转向节是汽车悬挂系统中的一个重要组成部分，它直接影响汽车的操控性和行驶稳定性。

因此，对汽车转向节的性能进行分析和优化设计显得尤为重要。

2. 研究内容本研究拟通过有限元分析方法，对汽车转向节的受力、变形等性能进行分析。

并结合优化设计理论，对汽车转向节的结构和材料进行优化设计，以提高汽车转向节的性能和使用寿命。

具体内容包括：（1）汽车转向节的有限元建模；（2）汽车转向节的受力分析和变形分析；（3）汽车转向节结构和材料的优化设计；（4）仿真验证和实验验证。

3. 研究意义本研究的意义在于：（1）提高汽车转向节的性能和使用寿命，从而提高汽车的安全性和舒适性；（2）为汽车零部件的分析和优化设计提供思路和方法；（3）推广有限元分析在汽车零部件设计中的应用。

4. 研究方法本研究采用有限元分析方法，通过建立汽车转向节的有限元模型，对其受力和变形等性能进行分析。

优化设计采用模型确定法和响应面法相结合的方法，对汽车转向节的结构和材料进行优化设计。

仿真验证和实验验证采用相结合的方法，以验证优化设计的可行性和有效性。

5. 预期成果本研究的预期成果包括：（1）汽车转向节有限元分析模型的建立；（2）汽车转向节的受力和变形分析结果；（3）汽车转向节的结构和材料优化设计结果；（4）仿真验证和实验验证的结果。

6. 研究进度安排本研究的进度安排如下：（1）文献调研和理论学习：2个月；（2）汽车转向节有限元建模和仿真分析：3个月；（3）汽车转向节结构和材料的优化设计：3个月；（4）仿真验证和实验验证：4个月；（5）撰写论文和准备答辩：2个月。

7. 参考文献[1] 张三, 李四. 汽车转向节有限元分析与优化设计[J]. 机械工程师,2015(5):30-35.[2] Wang Y, Chen L. A study on optimization design of automobile steering knuckles [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, 55(5): 154-161.[3] Y Zhang, X Liu. Structural optimization of automotive steering knuckle based on multi-objective particle swarm optimization [J].Journal Of Mechanical Science And Technology, 2018, 32(11): 5645-5653.。

基于Abaqus的转向节转向球销装配变形的有限元分析针对某车型转向球销与转向节装配后球销轴向位移过大问题，利用Abaqus/Explicit建立转向节与球销的显式积分有限元分析模型。

在不同的轴向力与锥孔面摩擦系数条件下，通过对转向节锥孔面的Mises平均应力分布情况、塑性变形量及表面正压力分布进行分析，得出影响塑性变形的因素。

标签：Abaqus；应力；有限元分析；塑性变形；摩擦系数1 概述在汽车转向节与转向球销实际装配过程中，由于球销固定螺母拧紧力矩过大或配合面摩擦系数设计不合理，装配后球销沿转向节锥孔方向位移过大，导致球销锁紧轴无法锁紧。

因此，在不同轴向预紧力及摩擦系数条件下，了解球销与转向节锥孔面的应力分布、表面压力、塑性变形情况是合理设计该产品的有效途径。

文章采用Abaqus/Explicit建立转向节与转向球销装配的显示积分有限元模型，模拟不同球销预紧力与不同摩擦系数条件下转向节锥面塑性变化情况。

2 转向节有限元模型的建立有限元模型在Abaqus中进行前处理，去除过小的倒角，由于考察部位位于转向节臂锥孔与球销接触面位置，而且只分析单一轴向力作用下锥孔的拉大行为，故对某车型转向节模型进行简化，简化前后模型如图1所示。

在球销端面施加轴向作用力模拟螺母拧紧过程中施加在球销上的作用力，在约束部位施加位移约束模拟螺母对转向节臂的约束作用。

3 网格划分考虑模型简化后的对称性以及面接触等因素，转向球销与转向节臂均采用六面体一阶单元进行网格划分[1-3]，单元数量5053，节点数量6071。

4 材料属性转向球销材料为40Cr，转向节臂材料为QT450，其材料特性均按照国家标准要求设定。

5 边界条件转向球销端面受到均布载荷作用，转向球销与转向节臂接触部位建立面接触条件，在螺母与转向节臂接触部位设置全固定位移约束。

轴向力分别施加1.9KN、2.1KN、2.3KN、2.5KN、2.722KN五组进行施加；接触面属性设定0.05、0.1、0.15、0.2四组摩擦系数μ进行对比分析（如图2所示）。

汽车转向节有限元分析—客车技术
为了对汽车转向节进行优化设计和性能评价，有限元分析是一种常用
的方法。

有限元分析是一种数值计算方法，利用数学模型和计算机技术，
将复杂的结构划分为许多简单的几何单元，如三角形、四边形等，然后通
过对这些几何单元进行数学建模，来模拟结构的力学行为。

对于汽车转向节的有限元分析，一般可以从以下几个方面进行研究：
1.结构划分：将转向节划分为几何单元，并确定单元之间的连接关系，以及划分后每个单元的几何参数。

2.材料性能：根据实际材料的性能数据，确定转向节各个部件的材料
参数，如材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。

3.约束条件：确定转向节的边界条件，包括转向节的固定边界、载荷
边界等，以模拟实际工况下的受力情况。

4.载荷作用：确定转向节在实际工况下所受的各种载荷作用，如悬挂
系统传递的载荷、转向力等。

5.强度计算：通过有限元分析软件进行数值计算，模拟转向节受力情
况下的应力、应变分布，并进行强度计算，判断转向节在实际工况下的安
全性能。

通过上述分析过程，可以评估转向节设计的合理性，并进行优化设计，以提高转向节的稳定性和可靠性。

需要注意的是，在进行有限元分析时，需要准确输入转向节的几何参数、材料参数等，并且对边界条件和载荷的设置也需要进行合理的估计和
模拟，以保证有限元分析的结果的可靠性。

总之，汽车转向节的有限元分析是一种重要的技术手段，可以评估转向节设计的合理性，并进行优化设计，以提高转向节的性能和可靠性，从而提高汽车的行驶安全性和稳定性。

7180型轿车转向节有限元分析目录摘要： (1)ABSTRACT: (2)1 引言 (3)2 前述 (5)2.1ANSYS软件简介 (5)2.1.1有限元法简介 (5)2.1.2 A NSYS软件功能和技术特点功能 (6)2.1.3 A NSYS在机械工业中的应用 (7)2.2课题概述 (8)2.37180型轿车的参数 (10)2.4转向节的受力分析及其计算 (12)2.4.1转向节受力分析 (12)2.4.2转向节受力计算 (12)3 有限元分析过程 (15)3.1转向节有限元模型的建立 (15)3.2转向节有限元线性分析 (16)3.2.1紧急制动工况 (17)3.2.2侧滑工况 (20)3.2.3越过不平路面工况 (26)结论 (31)致谢 (32)[参考文献] (33)7180型轿车转向节有限元分析摘要：转向节是汽车转向系统的重要结构件，它承受转向轮的负载以及路面通过转向轮传递来的冲击，同时还传递来自转向器的转向力实现对汽车行驶方向的控制，因此对其在强度、抗冲击性、疲劳强度以及可靠性方面都有很高的要求。

以7180型轿车转向节为例，根据给定车型的结构特点和转向节的相关结构参数，分析其受力情况，然后在紧急制动工况、侧滑工况、越过不平路面工况这三种工况下进行有限元分析计算,找出其中最薄弱的环节并提出相应的结构修改措施。

关键词：转向节、有限元、强度、分析Abstract:Steering knuckle is an important structural element of vehicle steeringsystem. It is to bear the load and the impact of road that passing throughthe steering wheel. And also transfer power from the steering gear in orderto control the direction of car. Therefore its strength, impact resistance,fatigue strength and reliability requirements are high. For example the7180 cars steering knuckle, according to the structural characteristics of agiven model and related structural parameters of steering knuckle toanalyze the force, performed finite element analysis and calculation inemergency braking conditions, sideslip condition, over the uneven roadsurface condition of these three condition. Find out the weakest link andbring forward the corresponding measures for the structural changes. Keywords: knuckle、finite element analysis、strength、analysis1 引言随着国民经济的蓬勃发展，汽车以一跃成为当前极为重要的交通工具。