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基于ANSYS的转向节强度有限元分析

发布于:2019-12-08 21:01
有限元分析

      转向节是车辆转向系统中重要的零部件之一,实际工作场合比较复杂多样,工作是否可靠、是否安全将直接危胁着人自身的安全。实际工况下,转向节不仅承受着转向轮自身载荷和路面不平整所产生的冲击力,而且还要传递着来自转向器所产生的转向力来实现对汽车行驶方向的改变。在转向节冲击性方面、静强度方面以及可靠性方面都必须满足很高的实际要求。因而,其内部应力应变规律的分析是转向节设计过程中必不可少的环节之一。根据实际运行情况,断裂部位常常发生在轮毂轴承轴颈圆柱面与圆锥面的交汇处,导致转向节结构早期失效。本次有限元分析研究主要是针对以上问题提出的。转向节的实物模型如图所示。
      根据汽车设计手册,分析转向节在紧急制动、侧滑(向左侧滑)和越过不平路面3种工况下的受力情况,表为某自紧急制动工况下,转向大、小轴顶处受到轮胎经轴承传递过来的力,将其分解为法向反力F和切向反力w。由于车轮轮毅安装在轴承上,因此制动时转向节大小轴颈不受扭矩作用。此时转向节的受力如图所示。
      根据分析所得的等效应力与应变图,发现三种危险工况下最大应力均出现在大轴颈根部。因此,在设计时需要在转向节大轴径处采用适当的过渡圆角来避免应力集中的现象。此外,在小轴颈处的位移最大,由于该处类似于悬臂梁的末端,其在外载荷作用下所产生的位移表现最明显。三种危险工况下的最大等效应力和最大位移如表所示。从表中可以得知,无论是转向节处于哪一种危险情况下,转向节的最大应力都小于40Cr材料的许用应力[a]=393MPa。因此该转向节的计算结果是完全符合汽车设计手册中的安全条件。此外,可以发现该自卸车上的转向节没有明显的材料多余。因为该转向节是用在自卸车车体上,其本身就需要较高的安全系数才能保证转向节的可靠性。从三种工况所得的应力云图来看,该转向节的应力分布是比较均匀的。其次,由于汽车是在颠簸路面上行驶,使得转向节在路面激振力的作用下载荷条件出现脉动,甚至出现交变载荷,这就会造成零件的疲劳破坏。再次,由于转向节可能存在材料缺陷或在制造过程中产生的制造缺陷(如热处理缺陷等),这都使得材料机械性能明显下降。
      本文运用UGApp和ANSYSApp,建立了3工况转向节有限元分析模型,分析3种工况下的转向节应力应变分布规律。通过寻找最大应力处和最大位移处,找出了转向节在各种工况下易损坏部位,并探讨了其易损坏的具体原因。以上例子表明,大家可以通过有限元法在产品设计中的应用,有效优化该转向节结构,改善设计质量,从而显著降低设计成本。



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