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转向臂强度有限元分析 |
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作者：中国三江航天集团特种车辆技术中心 胡爱华 王萍 |
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摘要：本文对转向系统的典型零部件-转向臂，应用有限元分析的理论，进行了强度分析，得到了转向臂的应力分布图。通过分析，能对转向臂的结构优化提供基础，进而提高重型越野车的机动灵活性。
关键词：汽车 制动系统 MSC.Nastran MSC.ADAMS
1 概述
机械结构的应力、应变计算与分析是机械产品设计的重要一环，它直接关系到最终产品设计的成功与否，及品质的好坏和成本的高低。以往应用材料力学和弹性力学的方法计算，由于几何形状和载荷的复杂性，使得大多数的实际问题难以得到封闭式的数学解，不得不对结构及其受力与约束状态做很大的简化，其计算结果往往与实际情况相差很远，甚至失去了分析计算的意义。在验算机械结构的强度与刚度时，为了可靠起见，常常选择过大的安全系数，造成所设计的机械结构尺寸和重量偏大；另一方面，由于计算分析的粗略性，也可能出现某些薄弱环节或局部的强度、刚度不足。
由于转向性能直接影响到重型越野车的机动灵活性、操纵稳定性和使用经济性，因此对重型越野车转向系统的设计提出了更高的要求。转向系统不仅要实现转向时的协调运动，还必须有足够的强度，保证在各种复杂受力的情况下其零部件不会损坏。在满足以上要求的情况下，尽量减轻质量，以减轻整车重和降低材料消耗。为此，需选用适当的算法，对转向机构零部件进行有限元分析，从而为转向机构的设计和制造提供理论依据。传统的转向系统的设计方法是依赖已有的产品，经过类比分析后进行局部地改动，只能近似地满足功能要求，无法提高整车的使用经济性，零部件的结构一般得不到改进，更无法做到经济合理。同时，随着重型越野车系列化的发展，新产品更新换代的加快，转向系统的设计周期也将大幅度的缩短。因此，为了实现重型越野车转向机构设计的合理性和快速性，需要对其结构和性能进行分析，研究出重型越野车转向系统的优化设计系统。
2 有限元模型的建立
由于转向传动机构的零部件比较多，现选择受力情况比较复杂的转向臂、进行有限元分析。
2.1 网格划分
采用体单元进行网格划分。结点数和单元数见表1。表1 转向臂的结点数和单元数
 2.2 材料与属性
计算中所使用的材料参数如下：
合金钢的材料参数：
弹性模量：206GPa
材料密度：7.9e+3kg/m3
泊松比：0.3
长度单位为：mm
2.3 转向臂有限元模型受力和约束图
工况一：
一桥左轮卡死，其它车轮打滑时，忽略各个构件间的摩擦力和质量，得到一桥转向节臂受到助力系统给的42390N，一桥左侧拉杆给的30177N的力。力和约束图见图1。
图1 一桥转向节臂工况一的力和约束图
工况二：
一桥右轮卡死，其它车轮打滑时，忽略各个构件间的摩擦力和质量，得到一桥转向节臂受到助力系统给的42390N，一桥横拉杆给的45390N的力。一桥转向节臂的力和约束图，见图2。
工况三：
一桥左右轮匀速转动，二桥车轮打滑时，忽略各个构件间的摩擦力和质量，得到一桥转向节臂受到助力系统给的42390N，一桥左侧拉杆给的15082N,一桥横拉杆给的22695N的力。一桥转向节臂的力和约束图，见图3。
3 计算结果图
4 分析与结论
由图4、5、6可得到转向节臂的最大应力smax=568MPa ，该转向节臂的材料许用应力值为：σb=980MPa。
通过对转向臂的大量分析可知，在不同的工况下，转向节臂的最大应力都集中在截面高度变化迅速的地方，其余断面处的最大应力都集中在360MPa左右，因此在设计转向臂时，应尽可能的避免截面在高度方向上的变化，同时，对有高度变化的过渡地方进行加强，增大截面积；对零件平直的地方应力很小，可以减小截面积。
因此，对转向节臂进行优化设计，将转向节臂的最大应力值都控制在360MPa，既达到降低应力的目的，又可以进行轻质化设计。
5 参考文献
[1] MSC.Patran User’s Manual, Volume4,Part9: PCL
[2] 贾志中编 《弹性稳定》 煤炭工业出版社 1989(end)
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(3/28/2007) |
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