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轉(zhuǎn)向節(jié)是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中重要的零部件之一，實(shí)際工作場(chǎng)合比較復(fù)雜多樣，工作是否可靠、是否安全將直接危脅著人自身的安全。實(shí)際工況下，轉(zhuǎn)向節(jié)不僅承受著轉(zhuǎn)向輪自身載荷和路面不平整所產(chǎn)生的沖擊力，而且還要傳遞著來自轉(zhuǎn)向器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力來實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行駛方向的改變。在轉(zhuǎn)向節(jié)沖擊性方面、靜強(qiáng)度方面以及可靠性方面都必須滿足很高的實(shí)際要求。因而，其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律的分析是轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)過程中必不可少的環(huán)節(jié)之一。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，斷裂部位常常發(fā)生在輪轂軸承軸頸圓柱面與圓錐面的交匯處，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)早期失效。本次有限元分析研究主要是針對(duì)以上問題提出的。轉(zhuǎn)向節(jié)的實(shí)物模型如圖所示。
根據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)，分析轉(zhuǎn)向節(jié)在緊急制動(dòng)、側(cè)滑(向左側(cè)滑)和越過不平路面3種工況下的受力情況，表為某自緊急制動(dòng)工況下，轉(zhuǎn)向大、小軸頂處受到輪胎經(jīng)軸承傳遞過來的力，將其分解為法向反力F和切向反力w。由于車輪輪毅安裝在軸承上，因此制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)大小軸頸不受扭矩作用。此時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)的受力如圖所示。
根據(jù)分析所得的等效應(yīng)力與應(yīng)變圖，發(fā)現(xiàn)三種危險(xiǎn)工況下最大應(yīng)力均出現(xiàn)在大軸頸根部。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要在轉(zhuǎn)向節(jié)大軸徑處采用適當(dāng)?shù)倪^渡圓角來避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象。此外，在小軸頸處的位移最大，由于該處類似于懸臂梁的末端，其在外載荷作用下所產(chǎn)生的位移表現(xiàn)最明顯。三種危險(xiǎn)工況下的最大等效應(yīng)力和最大位移如表所示。從表中可以得知，無論是轉(zhuǎn)向節(jié)處于哪一種危險(xiǎn)情況下，轉(zhuǎn)向節(jié)的最大應(yīng)力都小于40Cr材料的許用應(yīng)力[a]=393MPa。因此該轉(zhuǎn)向節(jié)的計(jì)算結(jié)果是完全符合汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)中的安全條件。此外，可以發(fā)現(xiàn)該自卸車上的轉(zhuǎn)向節(jié)沒有明顯的材料多余。因?yàn)樵撧D(zhuǎn)向節(jié)是用在自卸車車體上，其本身就需要較高的安全系數(shù)才能保證轉(zhuǎn)向節(jié)的可靠性。從三種工況所得的應(yīng)力云圖來看，該轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力分布是比較均勻的。其次，由于汽車是在顛簸路面上行駛，使得轉(zhuǎn)向節(jié)在路面激振力的作用下載荷條件出現(xiàn)脈動(dòng)，甚至出現(xiàn)交變載荷，這就會(huì)造成零件的疲勞破壞。再次，由于轉(zhuǎn)向節(jié)可能存在材料缺陷或在制造過程中產(chǎn)生的制造缺陷(如熱處理缺陷等)，這都使得材料機(jī)械性能明顯下降。
本文運(yùn)用UG軟件和ANSYS軟件，建立了3工況轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析模型，分析3種工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。通過尋找最大應(yīng)力處和最大位移處，找出了轉(zhuǎn)向節(jié)在各種工況下易損壞部位，并探討了其易損壞的具體原因。以上例子表明，我們可以通過有限元法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，有效優(yōu)化該轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)，改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而顯著降低設(shè)計(jì)成本。
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