汽車轉向節的案例
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 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：
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展開 基于HyperMorph 參數化的轉向節概念設計
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 
房車轉向節前臂彎曲工藝優化與模具裝置研發及應用
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。
展開 輪轂電機轉向節輕量化設計
輪轂電機轉向節輕量化設計.zip
摘要 本報告使用Altair公司提供的HyperMesh軟件以及OptiStruct的結構優化功能，對輪轂電機轉向節進行優化設計。本文重點介紹了在汽車極限左轉向工況下轉向節的約束載荷，以及結合制造工藝中最小成員尺寸約束進行拓撲優化，使其達到輕量化，且對于轉向節的優化設計具有一定的參考價值。
關鍵詞：輪轂電機轉向節 拓撲優化 輕量化 變密度法
1汽車輕量化設計背景介紹
在當今汽車工業中，減輕設計重量和縮短設計周期是兩個突出的問題。汽車輕量化設計開始占據了汽車發展的主要地位，但是簡單的汽車輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時，也犧牲了車輛的強度和剛度。在此情況下，Altair公司的有限元分析技術以及優化技術在汽車行業獲得了非常成功的應用。特別是對于一些結構復雜的汽車零件，HyperWorks的有限元分析技術、拓撲優化技術使得很多材料的潛能及鑄造的優勢得到了充分的發揮。
轉向節是汽車的重要安全零部件。該零件在原始設計中，由于整個機構的復雜性，只能作定性分析和類比估算。在確定實際結構時，往往選擇的安全系數過大，致使設計出來的產品結構過于笨重、粗大。另外，由于對實際的受力點未能完全把握，導致結構材料分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。
2有限元模型建立及分析
轉向節與轉向系統其它零部件相連的同時，通過法蘭盤的制動器安裝孔進行定位。由于整車全工況有限元模型的計算量太龐大，導致計算時間過長，因此僅選取在極限左轉向工況下，轉向節模型與轉向系統零部件和輪轂電機相連接的六個節點作為輸入載荷點，單獨對轉向節模型進行優化。
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 SimSolid實現汽車轉向節的快速分析
工程背景
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SimSolid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
模型工況示意圖
分析結果
試用體會：
①實用：
信息查詢：零部件的重量重心，焊縫的條數和總長度等信息，右鍵快速統計查詢。
屬性測量：距離、板厚、坐標位置，通過測量工具輕松搞定。
快速截圖：Bookmark browser實現模型姿態快速保存查看，方便對比和輸出報告。
②高效：易用速算。
模型連接：無需幾何清理和網格劃分，直接基于幾何結構，自動創建部件間的連接關系。
工況定義：約束條件和載荷的定義快捷方便，術語簡潔明了。
求解分析：相對于CAE幾十分鐘的分析模型，分分鐘搞定；
結果精度：通過案例分析對比，完全滿足產品設計前期的方案對比與決策。
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、通過數據對比分析發現，SimSolid提供的快速分析工具，可以幫助設計工程師對新方案進行快速判斷，提高了設計效率。
展開 某轉向節鍛件的探傷工藝制訂過程
為制訂某轉向節鍛件的熒光磁粉探傷工藝，從探傷原理出發，對影響探傷效果的因素進行了分解和分析，逐一制訂了各因素的技術要求和相應的檢驗方法，有效保證了探傷工序的實施。
鍛造產品具有晶粒細化、組織致密，流線連貫，強度、韌性等力學性能良好的優點，多被用于汽車上需要承受復雜扭轉載荷和一定沖擊載荷的產品，如曲軸、連桿、前軸、轉向節、齒輪等。而在鍛造過程中，受原材料成分偏析、鍛造工藝不完善等因素的影響，不可避免地會出現折皮、裂紋等缺陷，導致產品在制造、使用過程中失效，帶來損失。
熒光磁粉探傷利用工件磁化后，缺陷處的漏磁場與熒光磁粉的相互作用，對缺陷進行識別和定位，是目前生產過程中，最常用的一種消除產品缺陷，避免產品失效的工藝手段。本文從熒光磁粉探傷的原理入手，介紹了某重型汽車用轉向節鍛件熒光磁粉探傷工藝的制訂過程，并討論如何通過測量儀器保證磁粉探傷的效果，避免漏探。
原理
鍛件產品磁化后，鍛件內部和表面會形成均勻的磁力線（圖1a），鍛件表面和近表面存在缺陷（如裂紋、折皮等）時，缺陷處的磁導率和鋼材的磁導率存在差異，在材料不連續處，部分磁力線可能逸出材料表面，將發生畸變(圖1b)，在工件缺陷處的表面產生了漏磁場，吸引磁粉形成堆積(圖1c)。使用365nm 紫外線光(熒光)照射后，將直觀地顯現出缺陷位置和形狀(圖1d)，指示圖案比實際缺陷要大數十倍，達到了探傷的目的。
圖1 磁粉探傷原理示意圖
影響磁粉探傷的因素
在日常生產過程中，工件清潔度、磁懸液、磁場強度、黑光燈、環境亮度、退磁等對熒光磁粉探傷的效果有所影響，本文將逐一分析，并提出在轉向節探傷過程中的控制要求和檢測方法（圖2）。
展開 基于OptiStruct的轉向節拓撲優化
密度接近 1 的區域是必須保留的“實心”結構，密度接近 0 的區域是可以去除的材料，中間值表示需要解釋的過渡區域，轉向節拓撲優化單元密度云圖如圖6和圖7所示：
圖6 單元密度顯示設置
圖7 轉向節單元密度顯示
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
叉車用轉向節生產工藝分析
結束語
轉向節的擠壓工藝在汽車類產品有較廣泛的應用，本文提到的轉向節難點在于多增加了一個φ26mm 的小臺階，因此難度大大的增加了。本產品通過兩個方案的實際對比，發現對于桿部帶臺階且變化大的產品擠壓工藝比拔長工藝更具有量產穩定性，同時由于對數值模擬參數設置與實際的差異了解不透徹，導致模擬成功的產品在實際生產中無法達到理論值要求，因此需要通過生產實際的狀況調整模擬參數設計，使其能更接近現場實際生產。同時由于產品規定的是熱處理后抗拉強度要求，因取樣位置的不同，其推薦的硬度與抗拉強度對比表只能作為樣件的調試參考值，需在實際熱處理調試時根據工藝狀況及產品的取樣位置，找出產品表面硬度與心部硬度關聯圖及心部硬度與抗拉強度的關聯圖來確認產品的最終熱處理硬度需求，從而確保產品質量穩定性。
展開 
某款轉向節鑄改鍛工藝分析與實現
轉向節是汽車轉向橋中的重要零件之一，能夠使汽車穩定行駛并靈敏傳遞行駛方向。轉向節的作用是傳遞并承受汽車前部載荷，支撐并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向，汽車在行駛狀態下，轉向節承受著多變的沖擊載荷，因此要求其具有很高的性能。而轎車的質量要求更是毋庸置疑，對轉向節提出了更高標準的要求。
一汽鍛造公司承擔的此款轉向節為重點研發產品，其結構較為復雜，安全性能要求較高。毛坯前期策劃為鑄造工藝，經過工藝分析與仿真模擬測算，為了更好的保證產品功能性及使用性，最終確定了該產品的鑄改鍛方案。承接此產品后，相關技術人員與整車研發人員共同探討，協同開發，從鍛造工藝的角度確定產品分模面、加工余量及外形，使其既能保證產品工藝成形，又能實現裝配要求、功能性和使用性。經過調試鍛打，首批合格鍛件已提供，性能檢測無問題，并已經加工出合格產品，進行后續試驗工作。
鍛造工藝分析
根據轉向節產品三維，經過增加加工余量、出模角及叉口防變形等鍛造工藝后，完成了相對易于鍛件成形且不易造成鍛件變形的三維設計。成形后的轉向節鍛件復雜系數S4，該復雜系數的超重鍛件在乘用車轉向節制造中實屬罕見。
經過鍛造成形力學分析，根據鍛件投影面積初步計算所需鍛打力在4500t左右。計算出所需鍛打噸位并根據已有轉向節生產經驗，結合我司現有設備資源，確定了合適的設備，選擇符合其工藝特性的1600t電動螺旋（摩擦壓力機）做預鍛，配合2500t電動螺旋做終鍛。
具體工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→預鍛→終鍛→切邊→校正→熱處理→硬度檢驗→表面清理→探傷→終檢。
圖1 轉向節鍛件
工藝技術難點分析及預防措施
⑴完成鍛件設計后考慮其成形工藝，通過截面計算方法找到相對適合坯料分料的角度面，尤其要考慮的是支臂和桿部的分料。支臂長度約160mm，完全延展到鍛件外側，此處成形極其困難，鍛打過程極易出現折疊和充不滿等缺陷。
展開 福特開發出碳纖維后懸架轉向節
復合材料的轉向節-系桿原型
通過對碳纖維的獨特部署，以及采用優化的技術和訂制的生產工藝，該復合材料的后懸架轉向節相比目前制造的鋼部件，最大可減重50%。
鋼制的轉向節-系桿
通過綜合應用先進的加工技術與GRM Consulting的仿真技術，該團隊開發出了一種在同類設計中尚屬第一的設計。該部件的設計是完善的，目前，對部件的生產和試驗正在進行之中，目的是開發出大規模的量產工藝。
引言
為滿足日益嚴格的排放法規及客戶對延長電動車續航里程的要求，全球汽車行業正在加緊推進實現減重目標。通過選出一種量產的鋼懸架部件來對其進行重新設計，以將其作為一種可制造的復合材料輕量化部件，福特汽車公司啟動了開發周期。所選出的部件呈現出了“最小剛度與最大剛度”、“屈曲指標與強度指標”等彼此矛盾的要求。對這一特殊的非彈簧支撐部件的減重，可提升彈簧和阻尼器的相對有效性，從而改善乘員的舒適性和駕駛員的操作性。這一新開發的復合材料部件已證明適用于高性能的C級汽車。在材料與工藝選擇之間獲得的細膩而完美的平衡，令總的生產循環時間低至5 min. 。
合作必不可少
這一成功的故事，是由Innovate UK部分資助的一個為期兩年的項目以及由包括福特汽車公司、Gestamp、WMG、華威大學和GRM Consulting公司在內的一群組織實施的結果。該項目的名稱為“復合材料輕量化汽車懸架系統（簡稱‘CLASS’）”。復合材料技術已不可阻擋地從學術研究和航空工業進入到了主流汽車工程實踐之中，以抵消電動汽車和自動駕駛汽車固有重量的增加。對于主流汽車行業整體而言，復合材料性能的復雜性仍然是有待克服的挑戰性問題。雖然大量的研究一直致力于從工業和學術兩個層面上去理解復合材料，但對復合材料的性能進行預測的藝術尚處于初級階段。
展開 汽車設計系列教程第二版【汽車轉向系設計】
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展開 PERA SIM Mechanical在汽車行業的應用
在車輛的行駛過程中，它不僅承受前軸負載，而且在車輛轉向、制動時還要承受條件惡劣的載荷作用，因此對其強度、抗沖擊性都有很高的要求。為保證行車安全，對其進行強度分析十分重要，一般要進行側滑工況、不平路面工況、緊急制動工況等計算。
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。
