汽車循環球式轉向器關鍵零件有限元分析

李標 王玲芝 陳晨 尹宗軍 蘇蓉 陳新禾

摘 要：循環球式轉向器因具有操作輕便、傳動效率高的優勢，其核心部件決定著汽車轉向性能的優劣，尤其是轉向螺桿斷裂、鋼球磨損破碎所帶來的磨損性能和疲勞性能問題。文章針對常見的循環球轉向器，采用Catia軟件建立循環球式轉向器兩級傳動副的實體模型，隨后利用HyperMesh對螺母和齒扇進行網格劃分，最后導入Abaqus進行有限元計算。結果表明：轉向螺母和齒扇的Mises應力均滿足強度要求。

關鍵詞：循環球式轉向器;有限元分析;應力云圖

中圖分類號：U463.43 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）16-113-03

Abstract： The core components of the circulating ball steering gear determine the steering performance of the vehicle， especially the wear performance and fatigue performance problems caused by the fracture of steering screw and steel ball. In this paper， CATIA software is used to establish the entity model of two-stage transmission pair of the recirculating ball steering gear. Then， HyperMesh is used to mesh the steering nut and the gear sector. Finally ABAQUS is introduced for finite element calculation. The results show that the Mises stress of the steering nut and the gear sector meet the strength require -ments.

Keywords： Recirculating ball-type steering; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U463.43 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）16-113-03

前言

循環球式轉向器由兩級傳動副、殼體、鋼球和間隙調整裝置等組成。第一級傳動副是螺桿—螺母傳動副，第二級是齒條—齒扇傳動副。循環球轉向器具有傳動效率高，工作平穩可靠等優點，無論是轎車、客車、貨車，還是重型汽車的動力轉向均可以采用，是目前國內外應用最廣泛的一種結構型式[1]。

劉帆[2]對循環球式轉向器功能試驗臺進行構架分析，建立了基于虛擬儀器LabVIEW的轉向器性能檢測系統，實現了對轉向器各項性能的測試和結果分析。柯善樂[3]針對某型客車在雙紐線轉向工況、蛇形轉向工況和階躍轉向工況中的循環球變比轉向器齒輪副工況，分析了變比齒輪副的齒根彎曲應力、齒面接觸應力及動態傳動誤差等動態性能。岳曉[4]采用顯式有限元軟件LS-DYNA計算分析兩級傳動副協調工作的運動過程，得到循環球轉向器鋼球、螺桿、螺母、扇形齒輪軸等主要部件的應力、應變、位移的時間歷程。本文以某車型循環球式轉向器為研究對象，分別針對循環球動力轉向器的兩級傳動副的工作特性，對齒條—齒扇副進行了靜力學分析。

1 循環球式轉向器關鍵零件建立

1.1 循環球式轉向器的總體構造與工作原理

循環球式轉向器由總體由兩級傳動副組成。第一級傳動副是由轉向螺母以及轉向螺桿組成;第二級傳動副是由齒扇齒條以及搖臂軸組成。總體可以細分為轉向器殼體、轉向螺母、轉向螺桿、搖臂軸、齒扇、鋼球滾珠、上下蓋、側蓋等。如下圖1所示是循環球式轉向器的結構簡圖。

轉向盤上的旋轉力矩傳動至循環球式轉向器第一級傳動副后，由于螺桿與螺母通過軌道內的鋼球連接，旋轉運動轉變為轉向螺母的直線運動。螺母與齒扇相互嚙合，傳動到搖臂軸做回轉運動，帶動聯動拉桿與橫拉桿，從而使達到了使汽車的轉向輪轉向的目的。

1.2 幾何模型建立

利用Abaqus施加載荷、設置求解參數并求解，輪齒上的圓周力與螺母下面的齒條上的力是一對相反力，最大數值為12117.87N;最后對數據進行可視化處理與相關的分析。把計算結果輸入數據庫，得出分析云圖。

經過處理得出下圖結果，經過處理后顯示齒扇Mises應力為395.72MPa<835MPa，滿足條件。

同理，對螺母上的齒條進行有限元分析后可得齒條的Mises應力為312.62Mpa<835MPa，也滿足條件。

3 結論

汽車行駛時，駕駛員不斷操作方向盤實現變向需求，由于轉向操作的實時性，循環球變比轉向器齒輪副的運動和受力是瞬時變化的。結合轉向阻力矩與循環球變比轉向器齒輪副工況關于轉向螺母和齒扇的運動和受力關系，分析了轉向螺母和齒扇彎曲應力、齒面接觸應力。利用Catia軟件進行了三維實體建模，再導入有限元分析軟件Abaqus對輪轂力學進行了靜力學分析。結果表明：轉向螺母和齒扇的Mises應力均滿足強度要求。

參考文獻

[1] 張靜，方世杰.循環球轉向器螺桿的可靠性計算[J].煤礦機械，2006， 027（002）：187-188.

[2] 劉帆.汽車循環球式轉向器動力特性分析與檢測設備開發[D].杭州電子科技大學，2018.

[3] 柯善樂.不同轉向工況下循環球變比轉向器齒輪副工況的研究與應用[D].武漢理工大學，2016.

[4] 岳曉.循環球動力轉向器應力和疲勞分析[D].華中科技大學，2016.

[5] 王愛榮.汽車循環球動力轉向器研發[D].長江大學， 2012.