汽車轉向節
關注創建者：汽車-小江 創建時間：2023-10-30
汽車轉向節的視頻教程
汽車底盤轉向節強度分析（慣性釋放法）
汽車轉向節強度分析（慣性釋放法） 課程附件內容包括： kunckle_inertia.fem （模型文件，可直接提交計算） kunckle_inertia.h3d （計算結果文件，可后處理查看） 模型供大家練習，購買視頻后即可下載附件 若附件下載后打不開，可私聊郵箱發送。
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汽車轉向節的實例教程
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：
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展開 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
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展開 下面重點以某汽車轉向節結構優化設計為例，解析參數化優化技術在工程實際中的應用。轉向節是汽車轉向橋上的主要零件之一，能夠使汽車穩定行駛并靈敏傳遞行駛方向，轉向節的功用是承受汽車前部載荷，支撐并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強度。
2 基礎模型分析
2.1 有限元模型描述
利用 HyperMesh 建立轉向節實體有限元模型。如下圖 1 所示
圖 1 轉向節設計區域有限元模型
2.2 基礎模態分析和評價
經過多體分解得到的載荷，加載到轉向節，得到在 Z 向沖擊的工況下，轉向節最大應力值超過 材料屈服，疲勞損傷值大于目標要求。存在可靠性風險，因此需要優化轉向節結構，使其最大應力 值低于目標要求，并保證使用壽命滿足設計需要。計算結果如下圖 2 所示
圖 2 轉向節強度、疲勞結果示意圖
3 優化分析
3.1 參數化模型的建立
考慮轉向節形狀、倒角、和厚度等參數，利用 morphing 建立參數化有限元模型。如下圖 3 所示
圖 3 轉向節優化區域有限元模型示意圖
3.2 優化分析和結果
參數化優化分析流程：
對新建立的參數化有限元模型進行優化分析，選取最優一組參數。如下圖 4 和圖 5所示
3.3 優化結構設計
對優化后結果進行工程解析，得到可行性設計的結構。如下圖 6 所示
圖 6 優化后結構設計示意圖
4 優化結果和基礎分析結果對比
優化后的結果最大應力值和疲勞損傷值均滿足目標值要求。
展開 房車轉向節是自駕旅游用車的核心零部件，輪廊尺寸大，結構極其復雜。針對目前采用分體制造存在的諸多問題，提出了整體模鍛成形的工藝方案，并對其關鍵工序彎曲成形工藝進行了優化與專用模具裝置開發。結果表明，所提方案合理先進，實現了以整體模鍛取代分體制造，所生產的房車轉向節滿足了美國客戶的技術要求。
房車是集交通、餐飲和住宿于一體的專用汽車。近年來，自駕旅游在美國和歐洲等發達國家發展迅速，近兩年來我國人民因改革開放生活水平大幅提高，節假日和雙休日私家車車主和親朋好友自駕游發展迅猛，對房車的需求不斷增長，由此，帶動了房車制造所需一些關鍵零部件的發展。
三環鍛造有限公司是汽車轉向節專業化生產企業，年產各種汽車轉向節系列產品1000多種，200萬件，超過100萬噸，除國內東風、一汽外，國外客戶有戴姆勒奔馳公司、荷蘭DAF公司、印度塔塔和利蘭公司、美國TRP等公司，國際業務已占公司銷售總額的25%以上。因產品質量好，供貨準時，可滿足客戶特殊要求，因此，2016年，美國某知名公司要求為其生產房車A223型轉向節，并主動提供了研發費用。
房車轉向節結構特點
常用汽車轉向節和房車A223型轉向節鍛件如圖1所示。A223型轉向節鍛件二維圖如圖2所示。其鍛件的復雜系數為S=V鍛/V包=0.075≤0.16，這表示該型轉向節為最復雜的枝杈類鍛件。它與常用載重車的轉向節的最大差別就是一個直線前臂特別長，另一個稍短的前臂與桿部及直線長臂的軸線方向成90°彎曲。
圖1 轉向節
圖2 A223型房車轉向節鍛件二維圖
圖3 鐓粗、拔長、預鍛模膛及預鍛件
目前，這種房車轉向節鍛件的生產，國內尚為空白，現有工藝是將前臂與桿部和法蘭分開鍛造經機加工后采用螺栓連接為一體。
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幾何模型與設計空間定義：
①初始 CAD 模型：
創建一個包含所有關鍵硬點（輪心、主銷上下點、減震器安裝點、制動卡鉗安裝點、控制臂連接點等）的幾何模型。這個模型應該足夠大，能夠容納所有可能的材料分布。
②設計空間：將轉向節主體區域（去除安裝孔、螺栓孔、軸承座等不可優化的區域）定義為設計空間。這些不可優化的區域通常是需要保留以安裝其他部件或傳遞載荷的結構。
③非設計空間：明確指定不可優化的區域
圖6 在水平與垂直方向將補償幾何體燒結后的掃描數據與目標幾何體進行形狀比較
2.汽車轉向節Simufact MBJ仿真應用案例
圖7 模擬變形和實際燒結目標轉向節幾何結構（帶可變形支撐器）
汽車轉向節的結構較復雜，直接燒結，變形、塌陷缺陷較嚴重，這里采用定型工具支撐燒結，模擬預測得到的最終幾何結構與燒結目標幾何模型的結果的掃描數據具有良好一致性（圖8）。
汽車轉向節疲勞壽命云圖
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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。
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。
轉向節是汽車轉向系統的重要零件之一，能夠使汽車穩定行駛并靈敏傳遞行駛方向。轉向節傳遞并承受汽車前部載荷，支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態下，它承受著多變的沖擊載荷。轉向節結構相當復雜，需要處理好受力不均的問題，因而對精度有著相當高的要求。
轉向節如何實現高效、智能化加工？
本案例對汽車的典型轉向節零件，建立CAE仿真模型，模擬在緊急制動的特定工況條件下，進行結構靜力學仿真分析。
圖6：在水平與垂直方向將補償幾何體燒結后的掃描數據與目標幾何體進行形狀比較
汽車轉向節Simufact MBJ仿真應用案例
圖7：模擬變形和實際燒結目標轉向節幾何結構（帶可變形支撐器）
汽車轉向節的結構較復雜，直接燒結，變形、塌陷缺陷較嚴重，這里采用定型工具支撐燒結，模擬預測得到的最終幾何結構與燒結目標幾何模型的結果的掃描數據具有良好一致性（圖8）。
圖6 在水平與垂直方向將補償幾何體燒結后的掃描數據與目標幾何體進行形狀比較
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汽車轉向節Simufact MBJ仿真應用案例
340HB之間.
40Cr--830-860℃油淬-->55HRC
150℃回火--55HRC
200℃回火--53HRC
300℃回火--51HRC
400℃回火--43HRC
500℃回火--34HRC
550℃回火--32HRC
600℃回火--28HRC
650℃回火--24HRC
特性用途
這種鋼經調質后用于制造承受中等負荷及中等速度工作的機械零件，如汽車的轉向節
