汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器關(guān)鍵零件有限元分析

李標(biāo) 王玲芝 陳晨 尹宗軍 蘇蓉 陳新禾

摘 要：循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器因具有操作輕便、傳動效率高的優(yōu)勢，其核心部件決定著汽車轉(zhuǎn)向性能的優(yōu)劣，尤其是轉(zhuǎn)向螺桿斷裂、鋼球磨損破碎所帶來的磨損性能和疲勞性能問題。文章針對常見的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，采用Catia軟件建立循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器兩級傳動副的實體模型，隨后利用HyperMesh對螺母和齒扇進行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入Abaqus進行有限元計算。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向螺母和齒扇的Mises應(yīng)力均滿足強度要求。

關(guān)鍵詞：循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器;有限元分析;應(yīng)力云圖

中圖分類號：U463.43 ?文獻標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）16-113-03

Abstract： The core components of the circulating ball steering gear determine the steering performance of the vehicle， especially the wear performance and fatigue performance problems caused by the fracture of steering screw and steel ball. In this paper， CATIA software is used to establish the entity model of two-stage transmission pair of the recirculating ball steering gear. Then， HyperMesh is used to mesh the steering nut and the gear sector. Finally ABAQUS is introduced for finite element calculation. The results show that the Mises stress of the steering nut and the gear sector meet the strength require -ments.

Keywords： Recirculating ball-type steering; Finite element analysis; Stress nephogram

CLC NO.： U463.43 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）16-113-03

前言

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由兩級傳動副、殼體、鋼球和間隙調(diào)整裝置等組成。第一級傳動副是螺桿—螺母傳動副，第二級是齒條—齒扇傳動副。循環(huán)球轉(zhuǎn)向器具有傳動效率高，工作平穩(wěn)可靠等優(yōu)點，無論是轎車、客車、貨車，還是重型汽車的動力轉(zhuǎn)向均可以采用，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)型式[1]。

劉帆[2]對循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器功能試驗臺進行構(gòu)架分析，建立了基于虛擬儀器LabVIEW的轉(zhuǎn)向器性能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向器各項性能的測試和結(jié)果分析。柯善樂[3]針對某型客車在雙紐線轉(zhuǎn)向工況、蛇形轉(zhuǎn)向工況和階躍轉(zhuǎn)向工況中的循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器齒輪副工況，分析了變比齒輪副的齒根彎曲應(yīng)力、齒面接觸應(yīng)力及動態(tài)傳動誤差等動態(tài)性能。岳曉[4]采用顯式有限元軟件LS-DYNA計算分析兩級傳動副協(xié)調(diào)工作的運動過程，得到循環(huán)球轉(zhuǎn)向器鋼球、螺桿、螺母、扇形齒輪軸等主要部件的應(yīng)力、應(yīng)變、位移的時間歷程。本文以某車型循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為研究對象，分別針對循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器的兩級傳動副的工作特性，對齒條—齒扇副進行了靜力學(xué)分析。

1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器關(guān)鍵零件建立

1.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的總體構(gòu)造與工作原理

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由總體由兩級傳動副組成。第一級傳動副是由轉(zhuǎn)向螺母以及轉(zhuǎn)向螺桿組成;第二級傳動副是由齒扇齒條以及搖臂軸組成。總體可以細分為轉(zhuǎn)向器殼體、轉(zhuǎn)向螺母、轉(zhuǎn)向螺桿、搖臂軸、齒扇、鋼球滾珠、上下蓋、側(cè)蓋等。如下圖1所示是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡圖。

轉(zhuǎn)向盤上的旋轉(zhuǎn)力矩傳動至循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器第一級傳動副后，由于螺桿與螺母通過軌道內(nèi)的鋼球連接，旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向螺母的直線運動。螺母與齒扇相互嚙合，傳動到搖臂軸做回轉(zhuǎn)運動，帶動聯(lián)動拉桿與橫拉桿，從而使達到了使汽車的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的目的。

1.2 幾何模型建立

利用Abaqus施加載荷、設(shè)置求解參數(shù)并求解，輪齒上的圓周力與螺母下面的齒條上的力是一對相反力，最大數(shù)值為12117.87N;最后對數(shù)據(jù)進行可視化處理與相關(guān)的分析。把計算結(jié)果輸入數(shù)據(jù)庫，得出分析云圖。

經(jīng)過處理得出下圖結(jié)果，經(jīng)過處理后顯示齒扇Mises應(yīng)力為395.72MPa<835MPa，滿足條件。

同理，對螺母上的齒條進行有限元分析后可得齒條的Mises應(yīng)力為312.62Mpa<835MPa，也滿足條件。

3 結(jié)論

汽車行駛時，駕駛員不斷操作方向盤實現(xiàn)變向需求，由于轉(zhuǎn)向操作的實時性，循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器齒輪副的運動和受力是瞬時變化的。結(jié)合轉(zhuǎn)向阻力矩與循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器齒輪副工況關(guān)于轉(zhuǎn)向螺母和齒扇的運動和受力關(guān)系，分析了轉(zhuǎn)向螺母和齒扇彎曲應(yīng)力、齒面接觸應(yīng)力。利用Catia軟件進行了三維實體建模，再導(dǎo)入有限元分析軟件Abaqus對輪轂力學(xué)進行了靜力學(xué)分析。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向螺母和齒扇的Mises應(yīng)力均滿足強度要求。

參考文獻

[1] 張靜，方世杰.循環(huán)球轉(zhuǎn)向器螺桿的可靠性計算[J].煤礦機械，2006， 027（002）：187-188.

[2] 劉帆.汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器動力特性分析與檢測設(shè)備開發(fā)[D].杭州電子科技大學(xué)，2018.

[3] 柯善樂.不同轉(zhuǎn)向工況下循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器齒輪副工況的研究與應(yīng)用[D].武漢理工大學(xué)，2016.

[4] 岳曉.循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器應(yīng)力和疲勞分析[D].華中科技大學(xué)，2016.

[5] 王愛榮.汽車循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器研發(fā)[D].長江大學(xué)， 2012.