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轉(zhuǎn)向節(jié)臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要安全件，在車輛運(yùn)行中起著承載、導(dǎo)向的功能，其失效將導(dǎo)致汽車無法轉(zhuǎn)向而引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此，為了保證汽車在高性能的要求下有足夠的強(qiáng)度，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的進(jìn)行有限元分析是十分必要的。查目前國(guó)內(nèi)關(guān)于轉(zhuǎn)向節(jié)臂強(qiáng)度的研究文獻(xiàn)，大體可以概括為三個(gè)方面：①改進(jìn)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的成形工藝及熱處理方法，改善其組織性能，借以提高轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度；②運(yùn)用仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度、剛度及疲勞性能進(jìn)行模擬分析；③通過理論計(jì)算的方法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度進(jìn)行分析。重載汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)臂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承受荷載復(fù)雜，理論計(jì)算結(jié)果過于粗糙，目前的數(shù)值模擬分析文獻(xiàn)對(duì)載荷部分的處理還過于簡(jiǎn)單，一般都是在接觸弧面施加均布荷載，模擬結(jié)果誤差較大。研究主要利用ANSYS分析軟件，采用參數(shù)化命令處理非線性的載荷約束，對(duì)重載汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行靜力強(qiáng)度分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
汽車轉(zhuǎn)向系工作時(shí)承受的載荷主要來自人為施加在轉(zhuǎn)向盤上的力和來自地面的轉(zhuǎn)向阻力兩方面。對(duì)于重載汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂，轉(zhuǎn)向盤上作用力較大。施加在轉(zhuǎn)向盤上的力，通過轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向垂臂和轉(zhuǎn)向直拉桿傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)臂的球頭弧面上。關(guān)于轉(zhuǎn)向節(jié)臂在工作時(shí)承受載荷的計(jì)算，涉及到的一些設(shè)計(jì)參數(shù)，如表所列。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及傳動(dòng)關(guān)系，依據(jù)計(jì)算出轉(zhuǎn)向器從動(dòng)齒輪軸所承受的扭矩T，轉(zhuǎn)向垂臂端部承受的力F，轉(zhuǎn)向節(jié)臂右端孔處受得力F。根據(jù)關(guān)系式F=T/L，計(jì)算出F為7200N。孔與軸之間是面與面的接觸，受力形式主要是分布力，根據(jù)受力面大小，得到載荷的大小，分布載荷形式不同，得到的載荷大小也不相等。以某種工況為例，根據(jù)公式A=,rRh，式中R為圓孔的半徑為0.01m，h為圓孔的深度為是0.023m，計(jì)算得到面積為0.0007222m²。
轉(zhuǎn)問節(jié)臂與轉(zhuǎn)問節(jié)相連接的部位是圓錐白，通過端部螺紋定位，在建立重載汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂的有限元模型時(shí)，考慮到端部螺紋定位部分受載較輕，完全按照實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸建立螺紋模型，需要花費(fèi)大量的時(shí)間確定其曲面曲率以及倒角的尺寸，給網(wǎng)格化及其分析計(jì)算帶來較大麻煩，在建模時(shí)忽略螺紋部分。同時(shí)零件上便于裝配的一些倒角對(duì)分析產(chǎn)生的影響很小因此也可忽略。根據(jù)研究形狀的幾何特點(diǎn)以及有限元分析時(shí)約束條件，合理地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件模型。采用常用的三維造型軟件Pro/E，通過構(gòu)建基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸，利用拉伸、混合和混合掃描等構(gòu)建出轉(zhuǎn)向節(jié)臂的幾何模型，通過Pro/E與ANSYS的無縫集成，將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS中，設(shè)置材料屬性，定義彈性模量以及泊松比，采用Solid45單元，設(shè)置網(wǎng)格的邊界尺寸，確定了智能劃分的粗細(xì)精度為6級(jí)，采用自由劃分對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。得到轉(zhuǎn)向節(jié)臂的有限元模型如圖所示。
轉(zhuǎn)向節(jié)臂與拉桿之間的接觸面是圓弧面，根據(jù)材料力學(xué)相關(guān)資料可知，其上的力是隨位置變化的。根據(jù)彈塑性力學(xué)以及數(shù)值分析中的最小二乘法，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂所承受的載荷約束采用非線性變化的余弦三角函數(shù)。根據(jù)集中力F和受力面積A，得到載荷變化曲線，施加在與拉桿相連接的半圓弧面上。而與轉(zhuǎn)向節(jié)相連接的一端，采用全約束的形式。通過模擬計(jì)算，得到了轉(zhuǎn)向節(jié)臂的等效應(yīng)力分布情況，如圖所示，轉(zhuǎn)向節(jié)臂的等效應(yīng)力的最大應(yīng)力點(diǎn)位于轉(zhuǎn)向節(jié)臂中間過渡部分；最大應(yīng)力是230.739MPa。轉(zhuǎn)向節(jié)臂中間過渡部分的應(yīng)力變化最明顯，高應(yīng)力區(qū)較大；離過渡區(qū)域越遠(yuǎn)，高應(yīng)力區(qū)就越小，低應(yīng)力區(qū)較大。過渡部分存在最大等效應(yīng)力，遠(yuǎn)離過渡部分，等效應(yīng)力隨之減小，實(shí)際工作中轉(zhuǎn)向節(jié)臂的斷裂主要發(fā)生在該部位，說明其斷裂的主要原因是該部位強(qiáng)度不足引起的。轉(zhuǎn)向節(jié)臂的中間過渡圓弧位置受力較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了提高其強(qiáng)度，可增大過渡圓弧的半徑；與轉(zhuǎn)向拉桿相連接的部分，應(yīng)力變化較小，且多數(shù)處于低應(yīng)力區(qū)域。為了節(jié)省材料，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理。對(duì)于應(yīng)力值較小的區(qū)域可減小截面積，因此對(duì)原有模型進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化處理，運(yùn)用已有的載荷約束對(duì)其優(yōu)化后的模型進(jìn)行強(qiáng)度模擬分析，結(jié)果如圖所示。可看到，優(yōu)化后的最大應(yīng)力值減小，最大應(yīng)力值是204.456MPa，小于優(yōu)化前的230.739MPa。
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