轉向驅動橋轉向節臂的分析與改進

張吉宏

摘 要：應用有限元法對轉向節臂進行結構分析。針對所受承載力不足問題，文中提出新的改進措施，將轉向節殼設計成具有轉向節臂功能的結構。結果表明，該轉向機構具有結構簡單，受力均勻，生產成本低等特點，實際使用完全滿足設計要求。

關鍵詞：有限元法；轉向驅動橋；轉向節臂

Abstract： The finite element method is used to analyze the steering knuckle arm， and the calculation result is not satisfied. In this paper， an improved steering knuckle shell instead of the steering knuckle arm. The results show that the new steering mechanism has the characteristics of simple structure， uniform stress distribution， low production cost and so on. It can meet the design requirements in practical application.

Keywords： finite element method； steering-drive axle； steering knuckle arm

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

轉向驅動橋有著轉向和驅動兩種功能。既具有一般驅動橋的主減速器、差速器和半軸，也具有一般轉向橋的轉向節臂、轉向節殼、主銷等。驅動時，主減速器將動力通過差速器總成、內半軸、外半軸、輪轂，最后傳到輪胎，實現驅動。轉向時，轉向連桿推拉轉向節臂，轉向節臂與轉向節殼相連，從而帶動轉向節殼、轉向節軸頸、輪轂和輪胎，完成轉向。轉向驅動橋廣泛應用到工程車、越野車和轎車等領域。

現設計一款轉向驅動橋，由于轉向節臂尺寸受空間所限，在計算過程中出現承載能力不足的問題，本文對此轉向節臂進行了有限元分析，并提出了改進措施。

1.幾何模型的建立

轉向驅動橋結構復雜，采用Solid Works軟件進行建模效率高。再將轉向節臂模型導入Hyper Mesh軟件進行網格化分，最后通過ANSYS進行計算。幾何模型如圖1所示。

2.有限元模型的建立

轉向節臂模型采用SOLID45單元劃分網格。模型共4440個節點，3068個單元。建立剛性單元將受力點與轉向節臂軸承孔內節點相連。工況設定為：轉向節臂與轉向節殼為固定約束，沿實際受力方向加載4500N力。輸入材料密度ρ=7.8e-9t/mm3，彈性模量E=2.06e5MPa，泊松比μ=0.3。

3.求解結果及分析

將模型導入ANSYS進行后處理。結果顯示應力集中在A處如圖2所示，應力值為637.559MPa。轉向節臂材料選用合金鋼40Cr，屈服強度為σs=490MPa，顯然計算結果不滿足強度要求。

4.結構改進措施

經過多方案討論，最終將轉向節臂取消，轉向節殼側面設計成支耳結構，孔內安裝關節軸承直接與轉向連桿相連，輪邊結構得到了簡化。為了驗證新的轉向節殼強度，同理對它進行了有限元分析。支耳部分采用六面體網格，殼體復雜部分采用四面體網格，劃分結果如圖3所示。

經過ANSYS計算表明，轉向節殼應力分布均勻，最大應力發生在A處如圖4所示，應力值為171.57MPa。轉向節殼選用可鍛鑄鐵KTH35-10，屈服變形0.2%時的強度為σ0.2=200MPa，計算結果滿足承載要求。

結論

新的轉向機構具有生產成本低，生產周期短、結構簡單、占用空間小等優點。

轉向驅動橋生產后，經過長時間和多種工況試驗，新型轉向節殼在實際使用中表現良好如圖5所示。未出現斷裂、變形等失效問題，完全滿足設計要求。

參考文獻

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