汽車轉向拉桿的案例
關于拉桿接頭鍛件裂紋的分析與整改
文／王夕鋒，房田振，高桂堂·諸城市義和車橋有限公司
汽車轉向拉桿是汽車上的重要零件，其強度和可靠性是汽車能否安全行駛的重要指標之一。汽車轉向拉桿球接頭總成是汽車轉向拉桿的重要組成部分，而拉桿接頭是其連接和支撐的主體部件，故其是重要的保安件之一，不得有折疊、裂紋等缺陷，保證其內在質量尤為重要。而我們在生產過程中發現接頭鍛件出現裂紋，本文就其發生的前因后果及整改措施做如下介紹。
拉桿接頭產品介紹
⑴產品三維模型如圖1 所示，冷鍛件二維圖紙如圖2 所示。
圖1 產品三維模型
圖2 冷鍛件二維圖紙
⑵使用的材料為GB/T 699-2015 優質碳素結構鋼45#，圓鋼φ40mm。
⑶該鍛件的總體加工工藝流程為：棒料剪下料、300kW 中頻加熱爐加熱、300 噸電動螺旋壓力機鍛造、100 噸沖床切邊，然后轉網帶正火線進行正火，再進行拋丸、探傷，最后進行機加工。
產品問題描述
20 多年來我們穩定生產了幾千萬件合格的拉桿接頭產品，該產品熱處理要求是正火處理，在某班次生產過程中卻發現302 件產品出現裂紋，故對本批產品立即進行隔離封存，具體裂紋照片如圖3 所示。
圖3 產品出現裂紋
產品問題原因分析
鍛件產生裂紋，不外乎兩種，一種是鍛造裂紋，另一種是熱處理裂紋。
鍛造裂紋也就是鍛造完成后產生的裂紋，這里面可能有兩種產生的原因，一種是鋼材本身的質量問題導致的，如常見的非金屬夾雜物、砂眼、劃痕、裂紋、縮孔、皮下氣泡、發紋、白點和夾層等，在鋼材的表面或者內部存在，經過鍛打反應在鍛件上。
展開 轉向系統強度分析--轉向縱拉桿
轉向系統一般分為轉向操縱機構和轉向傳動機構。通常轉向系統的強度校核針對的是轉向傳動機構。轉向傳動機構指的是轉向搖臂、轉向直拉桿、轉向節臂、梯形臂和轉向橫拉桿等。
轉向結構
轉向縱拉桿一般要求小質量大剛度，通常縱拉桿應為直拉桿，但是考慮到布置要求，多數情況下縱拉桿為彎桿，這樣使得縱拉桿縱向剛度降低。
直拉桿一般按照壓桿穩定性校核
彎拉桿應計算彎曲應力和拉壓應力，合成后校核強度
常用工況
按原地阻力距計算，分為原地轉向，左右轉向工況。
極限工況
按轉向輪限位，轉向器輸出最大轉矩計算，分為左右轉向工況。
一般根據設計參數，利用材料力學公式，可以計算得到轉向縱拉桿的危險截面應力。理論計算結果如下所示。
理論計算
通常有限元的分析結果中的危險截面處的應力值要大于理論計算，這是因為理論計算忽略了桿的彎曲變形等因素，其應力相比仿真會小些。
來源：有限元探索
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展開 汽車轉向盤知識.
轉向盤(Steering Wheel)即方向盤，是汽車、輪船、飛機等的操縱行駛方向的輪狀裝置。轉向盤一般通過花鍵與轉向軸相連。轉向盤它在駕駛員與車輪之間引入的齒輪系統操作靈活，很好地隔絕了來自道路的劇烈振動。不僅如此，好的轉向系統還能為駕駛者帶來一種與道路親密無間的感受。
簡介
駕駛員通過控制轉向盤，使汽車按照駕駛員的意圖保持或者改變運動方向。當汽車發生正面碰撞交通事故時，無論是由于轉向盤的后移還是駕駛員前沖碰撞轉向盤，都能使駕駛員受到傷害，因此，轉向盤也是重要的保安部件。設計轉向盤時應滿足下述一些基本要求:
組成
轉向盤有輪轂、輻條、輪輞和墊塊組成，如圖所示。
轉向盤的輪轂、輪輞及輻條內部通常由鋼、鋁合金、鎂合金或碳纖維制造內芯。輪輻有1~4根。采用一根輻條時有利于觀察儀表。為保證轉向盤有足夠的剛性，必須采用增強材料，即內芯。輪輻應有足夠大的面積，以利于駕駛員的身體與轉向盤沖撞接觸時，能降低它們之間產生的碰撞力。但輪輻過多的轉向盤，雖然有足夠的強度和剛度，但對駕駛員能清楚地觀察儀表有不利影響。
轉向盤的輪轂部分設計有內花鍵，用來與轉向軸上的花鍵配合并固定。
輪轂、輪輞、輻條與內芯組成轉向盤骨架總成，骨架總成通過注塑成型或發泡成型等工藝組成轉向盤本體，對于高級轉向盤則在其外側再包一層皮革，其黏接或縫制幾乎全部為手工操作。也有在轉向盤本體上印制桃木花紋的。其外皮材質及花紋是根據汽車整體的協調性、創新和機能決定的。
當汽車發生碰撞時，從安全性考慮，不僅要求轉向盤應具有柔軟的外表皮，起到緩沖作用，而且還要求轉向盤在撞車時，其骨架能產生一定變形，以吸收沖擊能量，減輕駕駛員受到傷害的程度。
轉向盤上都裝有喇叭按鈕，有些轎車的轉向盤上還裝有定速巡航與車載娛樂系統控制開關和撞車時保護駕駛員的安全氣囊。
展開 
汽車轉向軸知識.
轉向軸的功用是將駕駛員作用于轉向盤的轉向力矩傳遞給轉向器，它的上部與轉向盤固定連接，下部與轉向器相連。轉向軸從轉向柱管中穿過，支承在柱管內的軸承和襯套上。有些轉向軸不但具有一定的剛度，還具有吸能功能，起到防傷作用。
概念簡介
語音轉向軸的功用是將駕駛員作用于轉向盤的轉向力矩傳遞給轉向器，它的上部與轉向盤固定連接，下部與轉向器相連。轉向軸從轉向柱管中穿過，支承在柱管內的軸承和襯套上。
設計要求
語音轉向軸總成是汽車轉向系的核心部分，其性能的優劣直接關系著交通和人身安全，所以對轉向軸的設計有幾點要求。1、轉向軸應該具有一定的剛度。確保將轉向盤上的轉向力矩和轉向角傳遞到轉向器中；2、由于公路條件的改善、車速的提高以及道路安全法規日趨嚴格，轉向軸應該具有吸能功能，起到防傷作用；3、轉向軸應該具有較好的抗疲勞能力，確保其使用壽命。4、現代汽車的轉向軸除裝有柔性萬向節外，有的還裝有能改變轉向盤的工作角度（轉向軸的傳動方向）和轉向盤的高度（轉向軸軸向長度）的機構，以方便不同體型駕駛員的操縱。
結構
語音如下圖所示的轉向軸結構簡單，制造容易，具有防傷作用，在乘用車上獲得了應用。圖1 具有防傷作用的轉向軸上圖中想轉向軸分為兩段，上轉向軸的下端經彎曲成形后，其軸線與主軸軸線之間偏移一段距離，其端面與焊有兩個圓頭圓柱銷的緊固板焊接，兩圓柱銷的中心線對稱于上轉向軸的主軸線。下轉向軸呈T字形，其上端與一個壓鑄件相連，壓鑄件上鑄有兩孔，孔內壓人橡膠套與塑料襯套后再與上轉向軸呈倒鉤狀連接，構成安全轉向軸。該軸在使用過程中除傳遞轉矩外，在受到一定數值的軸向力時，上、下轉向軸能自動脫開，以確保駕駛員安全。
轉向器性能測試
語音在汽車行業標準——“汽車轉向傳動軸總成性能要求及試驗方法”（QC/T649-2000）中，規定了轉向軸的各項試驗。
展開 基于ANSYS的汽車轉向節拓撲優化仿真分析
摘 要：本研究基于ANSYS軟件，針對汽車轉向節的拓撲結構優化展開了仿真分析。首先，針對不同的工藝約束，建立了多目標拓撲優化目標函數，通過比較不同拓撲優化結果的區別和優劣勢，選取了最優的拓撲優化建模方法。隨后，根據拓撲優化結果，建立了工程化結構數模。實驗結果表明，在所建立的多目標拓撲優化目標函數下，得到了一種在工藝約束下最優的汽車轉向節拓撲結構，并且該結構具有較好的力學性能和穩定性，可為實際工程應用提供參考。
關鍵詞：ANSYS;汽車轉向節;拓撲優化;工藝約束;多目標優化;力學性能;
1 引言
汽車轉向節是汽車轉向系統的重要部件，其結構和性能直接影響著汽車的操控性和安全性。傳統的轉向節設計通常采用經驗設計和試錯方法，存在設計時間長、成本高、效率低等問題，同時難以滿足不同工況下的需求。隨著計算機仿真技術的不斷發展，基于拓撲優化的汽車轉向節設計已經成為一個研究熱點。在不同的工藝約束下，通過建立多目標拓撲優化目標函數，可以快速高效地得到優化結果，有效提高轉向節的性能和質量。此外，拓撲優化設計還可以大幅減少設計時間和成本，提高設計效率和可靠性，同時降低產品開發風險，具有非常廣闊的應用前景。
2 汽車轉向節結構及其優化
2.1 汽車轉向節的結構和功能
汽車轉向節是汽車轉向系統中非常重要的部件之一，主要起到連接轉向系統和輪轂的作用。其主要功能是將駕駛員的轉向操作傳遞到車輪，控制車輛的方向和行駛狀態。傳統的汽車轉向節結構通常采用鑄造或鍛造的方式制造，形狀比較固定，存在一些設計上的局限性。而拓撲優化技術則可以通過對結構的重新設計和優化，實現優化結構的得到，進一步提高汽車轉向節的性能和質量[1]。
2.2 拓撲優化在汽車轉向節設計中的應用
拓撲優化作為一種優化設計方法，在汽車轉向節的設計中具有廣泛的應用。
展開 汽車轉向系統知識2
3種形式各有特點，發展較快，整體式多用于前橋負荷3~8t汽車，聯閥式多用于前橋負荷5#0;18t汽車，半分置式多用于前橋負荷6t以上到超重型汽車。
從發展趨勢上看，國外整體式轉向器發展較快，而整體式轉向器中轉閥結構是發展的方向。
常見故障
方向跑偏
方向跑偏
方向跑偏表現為:在行駛中，感到汽車自動偏向一邊，必須把方向盤用勁把住，才能保持正直的行駛方向。其原因是:左右輪胎氣壓不等;個別制動蹄片刮摩制動轂，或一邊車輪輪殼軸承過緊;個別鋼板彈簧折斷，兩邊鋼板彈力不均;前軸或車架彎曲;前輪定位失準或兩邊軸距不等;轉向節主銷與襯套間隙左右不一，或橫拉桿兩邊球頭松緊調整不一;貨車貨物裝載不均。
方向擺頭
方向擺頭表現為:汽車在行駛中，感到兩前輪左右搖擺，方向盤難以掌握。其原因是:橫直拉桿球頭調整過松(彈簧折斷或調整間隙過大);轉向盤自由行程過大;轉向器滾輪與蝸桿嚙合間隙過大;蝸桿上下軸承間隙過大;轉向節主銷與襯套的間隙過大;前輪輪殼軸承裝配過松，或前輪輪輞失圓擺差過大;前輪定位失準。
轉彎時轉向沉重
轉向沉重表現為:讓行駛的汽車轉彎時，轉動方向盤，感到沉重吃力。其原因是:蝸桿的上下軸調整得過緊或軸承損壞;蝸輪和蝸桿嚙合過緊，轉向器的轉向搖臂軸與襯套無間隙;轉向軸彎曲或管柱凹癟，互相刮碰;方向盤碰、磨管柱;轉向節上的推力軸承缺油或損壞;轉向節主銷與襯套裝配過緊或缺潤滑油;轉向節拉桿(直拉桿)螺塞旋得太緊，或拉桿接頭缺油;橫拉桿球頭調整過緊，或拉頭缺油;輪胎氣壓不足;前軸或車架彎曲，前輪定位失準。
轉彎時轉向不足
轉向不足
轉彎時轉向不足表現為:在汽車轉彎時的轉動量不夠。其原因是:轉向搖臂裝在搖臂軸上的位置不當;轉向角限位螺栓調整過長;前軸前后竄動;循環球或轉向器扇形齒與蝸桿盒裝配位置不妥。
展開 汽車轉向節的受力及疲勞分析仿真 ￥500
汽車轉向節是指汽車轉向系統中的重要組成部分，用于轉換駕駛員的轉向輸入，并將轉向力傳遞給車輛的輪胎。它通常包括轉向柱、轉向連接桿和轉向齒輪機構。汽車轉向節的疲勞分析是為了評估和預測轉向節的使用壽命和可靠性，以確保轉向系統安全穩定地運行。通過對汽車轉向節的疲勞分析，可以提前發現可能存在的問題，并采取相應的措施來改進設計、選擇更強度的材料或優化結構，以確保轉向系統的安全性和可靠性。
本案例基于一汽車轉向節結構，基于COMSOL軟件中的固體力學模塊和疲勞分析模塊對其進行了仿真計算，仿真結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
展開 汽車轉向系統知識1
在前橋僅為轉向橋的情況下，由轉向橫拉桿6和左、右梯形臂5組成的轉向梯形一般布置在前橋之后，如圖9 a所示。當轉向輪處于與汽車直線行駛相應的中立位置時，梯形臂5與橫拉桿6在與道路平行的平面(水平面)內的交角>90。
在發動機位置較低或轉向橋兼充驅動橋的情況下，為避免運動干涉，往往將轉向梯形布置在前橋之前，此時上述交角<90，如圖9 b所示。若轉向搖臂不是在汽車縱向平面內前后擺動，而是在與道路平行的平面向左右搖動，則可將轉向直拉桿3橫置，并借球頭銷直接帶動轉向橫拉桿6，從而推使兩側梯形臂轉動。
轉向系統
2)與獨立懸架配用的轉向傳動機構
當轉向輪獨立懸掛時，每個轉向輪都需要相對于車架作獨立運動，因而轉向橋必須是斷開式的。與此相應，轉向傳動機構中的轉向梯形也必須是斷開式的。
3)轉向直拉桿
轉向直拉桿的作用是將轉向搖臂傳來的力和運動傳給轉向梯形臂(或轉向節臂)。它所受的力既有拉力、也有壓力，因此直拉桿都是采用優質特種鋼材制造的，以保證工作可靠。直拉桿的典型結構如圖11所示。在轉向輪偏轉或因懸架彈性變形而相對于車架跳動時，轉向直拉桿與轉向搖臂及轉向節臂的相對運動都是空間運動，為了不發生運動干涉，上述三者間的連接都采用球銷。
4)轉向減振器
隨著車速的提高，現代汽車的轉向輪有時會產生擺振(轉向輪繞主銷軸線往復擺動，甚至引起整車車身的振動)，這不僅影響汽車的穩定性，而且還影響汽車的舒適性、加劇前輪輪胎的磨損。在轉向傳動機構中設置轉向減振器是克服轉向輪擺振的有效措施。轉向減振器的一端與車身(或前橋)鉸接，另一端與轉向直拉桿(或轉向器)鉸接。
動力系統
使用機械轉向裝置可以實現汽車轉向，當轉向軸負荷較大時，僅靠駕駛員的體力作為轉向能源則難以順利轉向。動力轉向系統就是在機械轉向系統的基礎上加設一套轉向加力裝置而形成的。
展開 汽車轉向及懸架系統運動仿真
Adams建立整車底盤剛體動力學仿真模型，對轉向系統和懸架系統進行建模，根據硬點坐標設置相應的運動副。整車質心位置，設置整車質量和轉動慣量。
底盤部件
運動副
轉向管柱
轉動副
十字軸萬向節
虎克鉸
轉向器齒輪齒條
轉動副+滑動副（設置傳動比）
拉桿兩端球頭
球鉸
轉向節及擺臂球頭
球鉸
減震器
帶阻尼的彈簧
原地轉向仿真
車速為零，左右轉動方向盤至極限位置，然后回正，模擬原地轉向過程，輸出轉向器齒條力變化曲線。（齒條力等于左右拉桿力之和）
車速10km/h動態轉向仿真
車速10km/h，左右轉動方向盤至極限位置，然后回正，模擬行駛過程中的動態轉向過程。
顛簸路面剛柔耦合仿真
顛簸路面行駛仿真模擬時，將懸架系統下擺臂替換為柔性件，可以分析路面沖擊對零件產生的應力。
展開 案例分享：汽車轉向節的通用疲勞分析
汽車轉向節作為一種關鍵的轉向組件，擔負著連接轉向機與前輪的重要任務。在日常行駛過程中，轉向節會經受著復雜的載荷和應力，例如來自路面不平的沖擊力、轉向時產生的側向力、制動時產生的摩擦力等。這些多元化的載荷會在轉向節上產生復雜的應力分布，從而增加了轉向節發生疲勞破壞的風險。
轉向節的疲勞損傷可能導致其斷裂或失效，從而危及行車安全，甚至可能造成嚴重的交通事故。因此，了解轉向節在何種條件下可能出現疲勞損傷，并據此制定預防措施，對于汽車的可靠性和耐久性至關重要。
為了保證汽車轉向節的可靠性和耐久性，原點疲勞軟件對其進行了全面的分析和評估：通過模擬各種日常行駛場景，分析轉向節在不同條件下的載荷和應力狀態；結合材料特性和應力疲勞分析模型，估算轉向節在不同工況下的疲勞壽命。對疲勞分析中發現的危險區域，可以進行針對性的改進和設計優化，以提高轉向節的性能和耐久性。
汽車轉向節疲勞壽命云圖
了解更多疲勞分析方案：
http://jsform2.com/web/formview/66390a7575a03c2416365f4f
展開 
深度了解汽車的轉向系統結構
齒輪齒條式轉向系統
汽車轉向系統的功能就是按照駕駛人的意愿控制汽車的行駛方向。齒輪齒條式轉向系統（圖 19-1） 是現代轎車采用最多的轉向系統。齒輪齒條式轉向器（轉向機） 通過殼體兩端的螺栓固定在副車架上。其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。借助橫拉桿推動或拉動轉向節，使前輪實現轉向。
轉向系統的工作原理
轉向盤與轉向柱相連，因此當駕駛人轉動轉向盤時，轉向柱便跟著轉動。通過轉向節和轉向中間軸，轉向力矩傳遞至轉向器的輸入軸。輸入軸的轉動被齒輪齒條式轉向器轉換為往復運動或直線運動，推動或拉動轉向桿系及轉向節，使轉向輪（前輪） 偏轉一定角度。齒輪齒條式轉向系統的工作原理如圖 19-2 所示。轉向器是將旋轉運動轉化為直線運動（或近似直線運動） 的一組齒輪齒條傳動機構，同時起到減速增矩作用。
轉向管柱
轉向柱總成的結構如圖 19-3 所示。可調式轉向柱能調節轉向柱的傾斜度和伸縮量（即轉向盤高度），方便駕駛人調節至合適的駕駛姿勢。一旦發生撞擊，轉向盤、轉向管柱和防撞管會一起偏向儀表板。此時，防撞管會擠壓是轉向管柱，并通過潰縮機構吸收碰撞能量，保護駕駛人。
如圖 19-4 所示，轉向柱的支架靠兩個螺栓固定在模塊橫梁上，而轉向柱安裝支架用螺栓安裝在模塊橫梁上，同時轉向柱的支架也用螺栓固定在安裝支架上。因此，轉向柱的兩個安裝點相距較遠，具有較寬的基部空間，有利于保持轉向柱的穩定。
液壓助力轉向系統
液壓助力轉向系統使轉向操縱更加靈活、輕便，而且能吸收來自不平路面的沖擊。齒輪齒條式液壓助力轉向系統的結構如圖 19-5 所示。液壓助力轉向系統的特點在于通過發動機的傳動帶或電氣方式驅動轉向助力泵。從轉向助力泵輸出的轉向油流向轉向閥，轉向閥控制油壓并改變流向。
展開 汽車電動助力轉向系統研究
汽車電動助力轉向系統研究
作者：張家港科技局 轉貼自：張家港科技信息網
成果簡介：
當前，隨著汽車行駛速度的提高，人們對其操縱性、舒適性、安全性等各項性能的要求也越來越高，以改善汽車操縱穩定性、安全性為主要目的，以汽車轉向為主要研究目標的橫向運動控制正成為一項重要研究內容。
對轉向系統的要求，主要可概括為轉向的靈敏性和操縱的輕便性，而這兩個要求是相互矛盾的。傳統的液壓助力轉向方式在選定參數，完成設計后，助力轉向系統的性能就確定了，不能再對其進行調節與控制。因此傳統液壓助力轉向系統協調轉向力與路感的關系較困難。
為克服這一缺點，日本、美國等近年來開發出了電動助力轉向系統(EPS)，以取代傳統的液壓動力轉向系統，并已應用在某些轎車上。EPS由電機提供助力，助力大小由電控單元(ECU)實時調節與控制，故為助力特性的設置提供了較高的自由度，改善了汽車的操縱穩定性。
主要優點
反應靈敏、迅速，轉向平穩、精確，路感良好；質量更輕、結構更緊湊，調整和檢測方便，不存在漏油問題；能減少發動機的燃油消耗；具有良好的低溫工作性能；轉向操縱力特性能滿足不同對象的需要,只需更換軟件即可自由地設計轉向操縱力特性；能在各種行駛工況下提供最佳助力，減小由路面不平所引起的對轉向系的擾動，改善汽車的轉向特性，減輕汽車低速行駛時的轉向操縱力，提高汽車高速行駛時的轉向穩定性，進而提高汽車的主動安全性。
研究目標及內容：
本電動助力轉向裝置裝車后，汽車轉向系的性能應滿足國家頒布的“汽車操縱穩定性標準”和其它行業有關標準的要求。
展開 MeshFree在汽車轉向節分析中的應用
背景介紹
轉向節作為汽車底盤的關鍵結構件，對汽車的行駛安全起到重要的作用。轉向節承受來自路面及車身的載荷，受力工況復雜。
各主機廠對轉向節的強度和疲勞性能要求很高。另一方面，由于轉向節多為鑄件或鍛件，本身結構特征復雜，網格劃分的工作量較大。所以，轉向節的強度分析對工程師的能力要求高。在轉向節設計前期，快速評價設計方案通常是一件緊張而艱巨的工作。
本文，利用MeshFree對某轉向節進行了強度分析并與傳統CAE結果進行比較分析。轉向節模型如圖。
模型分析
將轉向節CAD數模導入MeshFree中，設置網格密度，效果如下圖:
詳細對比結果如下圖：
結論：
1、通過結果對比分析可知，兩者對變形模式和應力分布趨勢的預測比較接近；
2、MeshFree整個分析過程簡單快速，將普通CAE一天的工作量提升到1小時完成;
3、最大位移及應力存在一定差異，可能存在求解設置差異，需要對MeshFree做進一步的學習研究；
展開 汽車全液壓式轉向機構優化設計
摘 要: 利用動力學分析軟件ADAMS , 從汽車轉向運動學出發, 對SGA3550 自卸式汽車全液壓轉向機構進
行設計。以汽車轉向時實際轉角與理論轉角的誤差最小為目標函數, 以轉向梯形底角和梯形臂長為設計參數,
對轉向機構進行了優化設計。并通過對轉向過程的仿真分析, 比較了不同液壓系統設計方案對轉向機構性能的
影響。給出了全液壓式轉向機構液壓部分的設計計算過程。
關鍵詞: 汽車; 轉向機構; 液壓系統; 優化設計
汽車全液壓式轉向機構優化設計.pdf
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