基于有限元的FSC賽車轉向節(jié)的結構分析

張寶玉

(江蘇食品藥品職業(yè)技術學院機電工程系，江蘇淮安 223001)

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基于有限元的FSC賽車轉向節(jié)的結構分析

張寶玉

(江蘇食品藥品職業(yè)技術學院機電工程系，江蘇淮安 223001)

摘要：以某方程式賽車為例，對前、后轉向節(jié)進行參數(shù)與結構設計，通過試驗測得轉向節(jié)關鍵連接點的受力，結合實際約束條件，再將轉向節(jié)三維模型導入有限元分析軟件Hypermesh進行網(wǎng)格劃分，建立了高質(zhì)量的轉向節(jié)有限元模型，并分析轉向節(jié)的應力應變情況，其結果滿足強度要求，說明該設計方案是可行的。

關鍵詞：FSC賽車轉向節(jié)；Hypermesh軟件；有限元分析

0引言

轉向節(jié)是汽車懸架系統(tǒng)的重要機件，它連接輪轂和懸架控制臂，同時是轉向節(jié)臂與制動卡鉗的安裝載體，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，確保汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向[1-2]。

1轉向節(jié)模型建立

零部件的設計、加工和裝配都應滿足大賽規(guī)則要求，參賽賽車和樣車的轉向節(jié)依舊選用7075鋁材。在符合大賽規(guī)則要求的前提下，對轉向節(jié)的外形和結構做了改變，選擇主銷后傾且偏移距為正，這樣能保證轉向時不受太大的橫向載荷和縱向載荷，操縱簡便。在原來的基礎上，將厚重的鋁板改成現(xiàn)在的通孔式，且將原來方正的矩形改成現(xiàn)在的六邊形，減小體積實現(xiàn)了輕量化。

圖1為前轉向三維模型圖。將后懸架設計成拖拽式，在部件的設計、加工和裝配都應滿足大賽要求的條件下，轉向節(jié)形狀選用矩形。材料同樣采用7075鋁材。圖2為后轉向節(jié)示意圖。

圖1　前轉向節(jié)三維模型圖

圖2　后轉向節(jié)模型

2轉向節(jié)與車架等部件的連接關系

由于雙橫臂式獨立懸架側傾中心高度比較低，當上、下橫臂長度之比為0.66～0.70時，車輪平面傾角變化小于5°～6°，單個車輪上輪距的改變量應不大于4～5 mm(輪胎彈性變形的允許尺寸)，不會引起輪胎磨損，并能適應路面，輪胎接地面積大，貼地性好，抓地性能好，有清晰的路感。

上、下橫臂均采用叉臂，構成三角形，具有很強的穩(wěn)定性[3]。橫向力由兩個叉臂同時吸收，因此橫向剛度大，抗側傾性能優(yōu)異。這使得支柱減震器不再承受橫向作用力，只承受車輪的上下運動，因此在彎道行駛時具有較好的方向穩(wěn)定性。

采用上、下兩個A字形叉臂易于定位前輪的各種參數(shù)，設計較靈活，可以合理利用空間導向桿系的鉸接點的位置及導向臂的長度，使得懸架具有合適的運動特性(亦即當車輪跳動或車身側傾時，車輪定位角及輪距的變化能盡量滿足設計的要求)，能夠正確確定側傾中心和縱傾中心的位置。

圖3為轉向節(jié)與輪轂懸臂和車架之間的連接示意圖。

圖3　轉向節(jié)與其他部件安裝圖

3轉向節(jié)有限元建模

基于建模軟件的可操作性和劃分網(wǎng)格與前處理軟件功能的強大，在對賽車前、后轉向節(jié)進行有限元分析的過程中，將在CATIA中繪制的三維零件模型以IGES格式導入有限元軟件Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分與分析，網(wǎng)格劃分時要實時檢查其質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響分析結果的精準度。

經(jīng)過幾何清理、網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量檢查，最終建立了前后轉向節(jié)的有限元網(wǎng)格模型，其中，前轉向節(jié)共劃分單元數(shù)為30 079個，后轉向節(jié)劃分單元數(shù)為41 203個，模型圖分別如圖4和圖5所示。

在懸架系統(tǒng)中，4個轉向節(jié)是關鍵部件，起到至關重要的作用，其結構形式與強度直接影響著懸架甚至整輛賽車性能的發(fā)揮[4]。

圖4前轉向節(jié)網(wǎng)格模型圖 圖5后轉向節(jié)網(wǎng)格模型

4前后轉向節(jié)有限元分析

4.1前轉向節(jié)有限元分析

通過實驗與計算得到，在制動時轉向節(jié)受力顯著增大，且為主要變形時區(qū)。前轉向節(jié)卡鉗座安裝孔受力為927 N，上下大小相同，方向相反。軸承安裝孔下半圓柱面受垂直向下力，大小為662 N，對橫臂連接點進行全約束，即X、Y、Z方向自由度均為0，在Optistruct模塊中對劃分好的轉向節(jié)有限元模型進行分析，得到其應力、位移云圖，如圖6—8所示。

圖6　前轉向節(jié)von-Mises應力

圖7　前轉向節(jié)總位移

圖8　前轉向節(jié)X方向位移圖

圖6—8分別為前轉向節(jié)等效應力云圖、總位移圖和X方向位移圖。轉向節(jié)的最大應力為27.94 MPa，發(fā)生在前下方與支座接觸孔處；最小應力為0.020 84 MPa。轉向節(jié)所受的最大應力遠遠小于所用材料的屈服強度455 MPa。用此種方式設計的轉向節(jié)完全滿足強度要求，且符合輕量化設計標準[5]。

轉向節(jié)最大位移為0.001 836 mm，發(fā)生在轉向節(jié)與制動鉗座安裝孔位置。由位移可見轉向節(jié)變形非常小，可以忽略。前轉向節(jié)X方向位移為0.001 831 mm，幾乎等于總位移值，可見轉向節(jié)在X方向(賽車行駛方向)位移量占主要地位，原因主要是制動時轉向節(jié)前側面受到了制動時制動力矩傳遞過來的力。

4.2前轉向節(jié)有限元分析

將后轉向節(jié)模型導入Hypermesh進行分析。對后轉向節(jié)進行分析時，施加后軸靜載荷809 N，作用點為軸承孔下半圓柱面，在前端面上下兩圓孔處施加制動力，大小為1 132 N，在橫臂安裝孔進行約束處理。

分析結果如圖9—11所示。

圖9　后轉向節(jié)von-Mises應力

圖10　后轉向節(jié)總位移

圖11　后轉向節(jié)沿Y方向位移

從總位移圖中可以看出：轉向節(jié)最大位移為0.001 749 mm，發(fā)生在兩個安裝孔邊緣處，由于位移很小，可以忽略。沿Y方向的位移僅為0.000 14 mm，不到總位移的1/10，所以此處區(qū)域非常安全。轉向節(jié)所受的最大應力依然集中在制動鉗兩安裝孔處，大小為28.39 MPa，遠小于應力極限值，最小值為0.002 667 MPa，因此可得出結論：轉向節(jié)強度滿足要求。

5結論

有限元分析是工程設計及產(chǎn)品開發(fā)的必要手段，對降低設計成本、提高生產(chǎn)效率有重要意義。文中通過對FSC賽車的前后轉向節(jié)進行有限元建模及強度分析，初步確定了其結構可靠性和可行性。其中，高質(zhì)量網(wǎng)格模型對后期的分析至關重要。得到的分析結果表明：前、后轉向節(jié)均能滿足結構強度要求。

參考文獻:

【1】馮晉祥．汽車構造下冊[M]．北京：人民交通出版社，2007.

【2】蘭鳳崇，張浩鍇，王家豪，等.汽車轉向節(jié)拓撲優(yōu)化方法研究及應用[J].汽車工程，2014(4)：464-465.

【3】吳健瑜.大學生方程式賽車懸架設計及優(yōu)化研究[D].廣州:華南理工大學，2011.

【4】李嫚.FSAE賽車懸架的優(yōu)化設計及分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2011.

【5】王望予.汽車設計[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2011．

Structure Analysis of FSC Car’s Steering Knuckle Based on FEA

ZHANG Baoyu

(Department of Mechanical Engineering,Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College,Huaian Jiangsu 223001,China)

Abstract:The parameters and structure design were conducted for the front and rear steering knuckle of an FSC car. Through experiment, the stress of key points in the steering knuckle was measured. Combining with the actual constraints, the 3D model of the steering knuckle was input into finite element analysis software Hypermesh to generate mesh,so high quality finite element model of the steering knuckle was built. Finally, the stress and strain of the steering knuckle were analyzed. The results meet the strength requirements, it is show that the design scheme is feasible.

Keywords:Steering knuckle of FSC car; Hypermesh software; Finite element analysis

收稿日期：2015-09-08

基金項目：淮安市P科技創(chuàng)新載體平臺與產(chǎn)學研載體建設計劃項目(HAP201411)

作者簡介：張寶玉(1987—)，男，工學碩士，講師，研究方向為汽車被動安全。E-mail：zbyzby870720@163.com。

中圖分類號:U469.696

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)01-023-03