转向节的结构设计与强度分析--开题报告

杭州电子科技大学

毕业设计（论文）开题报告题目转向节的结构设计和强度分析

学院机械工程学院

专业车辆工程

姓名吴志军

班级车辆二班（07010512）

学号07010570

指导教师胡彦超

一、本课题国内外研究动态及选题的依据和意义

（一）课题研发背景

汽车是重要的运输工具，是科学技术发展水平的标志。同时也是20世纪最显著的人文标志之一。它改变了人们的生活方式、时空和价值观念。为人类社会的物质财富和精神文明做出了巨大的贡献。汽车是产业关联度高、规模效益明显、资金和技术密集的重要产品，又是唯一兼有大批量、高精度、群众性消费特征的全球化产业，也是唯一的一种零件以万计、产量以百万计、保有量以亿计，并惠及全人类的高科技产品。汽车工业由于其资金密集、技术密集、人才密集、综合性强、经济效益高的特点，使得世界各个工业发达国家几乎无一例外地把汽车工业作国民经济的支柱产业。汽车的研制、生产、销售、运营，与国民经济许多部门都息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起着重要的推动作用。

转向节是汽车上的关键零件，它既支撑车体重量，又传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩，因此对其机械性能和外形结构要求严格，是汽车上的重要安全零件之一。转向节包括转向节轴和转向节臂。转向节一般采用锻造毛坯件，经机械加工成为一个复杂的空间受力件。转向节圆锥轴上装有一对单列圆锥滚子轴承，使转向节与前轮毂、前轮制动器相连。其圆锥轴端采用螺母紧固轴承与轮毂，这样就能使转向节承受来自地面的支承力、滚动阻力和制动力。其上端球销通过纵向拉力杆与车架连接于一体，并与整车相连，从而约束了转向节沿x、y方向的位移和转动，使其仅能沿z方向移动和旋转。转向节的转向节臂上有两个球头销分别与转向纵拉杆、横拉杆相连以保证左右两轮同步转向。由此可见，转向节承受着车辆转向系统较大的负荷。

（二）转向节国内外研发现状

由于汽车转向节使用的重要性和形状的特殊性，国内外对转向节的结构和强度分析予以高度的重视，对其进行了深入的研究，取得了一定的研究成果。

在国内，北京机电研究所、吉林工业大学、机械工业部第四设计院、中国重汽公司、山东光岳转向节总厂、安庆百协锻造厂等单位对转向节进行了比较深入研究。郑州轻工业学院机电工程学院的韩国立等提出了概率有限元分析，并得出影响其可靠性的主要因素是外负荷和弹性模量。河南师范学院的冯彬彩建立了斯太尔转向节的实体模型，并对转向节的受力依照紧急制动工况、侧滑工况和越过不平路面工况等三种危险工况进行强度分析。合肥工业大学机械与汽车工程学院的张红旗等实用ANSYS对客车转向节进行了受力分析。天津大学武一民等利用NSRAN—PARTAN对农用车转向节结构进行了有限元计算，并对结构变化对应力分布的影响进行了计算．同济大学汽车学院的蔡智健等通过有限元建立某轿车转向节模型。机械加工方面，佳木斯煤矿机械厂的张风岩等对转向节的机械加工进行了有效的研究，极大提高了生产效率。这些研究工作对汽车转向节设计生产提供了宝贵的经验。

优化设计是上世纪60年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它己广泛应用于各个工业部门。人们在做一切工作时，总希望所选用的方案是一切可能方案中最好的，这就是最优化问题。最优化技术是研究和解决最优化问题的一门学科，它是研究和解决如何在一切可能的方案中寻求最优化的方案。

我国开始从事这方面的研究与应用比较晚。虽然在机械设计中采用最优化技术的历史很短，但其进展的速度却是十分惊人的。无论在机构综合、通用机械零部件设计，还是在各种专业机械和工艺装备的设计都由于采用了最优化技术而取得了显著成果。我国汽车工业不断引进和采用新技术，特别是汽车CAD 、CAE 、CAM 一体化的进步，这为我国汽车工业独立自主开发创造了良好的条件。 （三） 选题的依据和意义

转向节是车辆转向系的重要部件之一，运行工况比较复杂，使用是否安全可靠，直接危及人、车安全。由于其使用环境的特殊性，故要求其转向节的使用寿命应达到5万小时以上。转向节承受转向轮的负载，以及路面传递来的冲击力，同时还传递来自转向器的转向力实现对汽车行使方向的控制。因此，在强度，抗冲击性、疲劳强度以及可靠性方面都有很高的要求，基于此，对于其研究具有极其重大的意义。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

对转向节的受力情况，按三种危险工况进行静力学分析，即：紧急制动工况、侧滑工况(向左侧滑对)和越过不平路面工况。应用ANSYS 软件建立转向节有限元模型，具体模拟、分析转向节在三种典型工况情况下静力学特性，为转向节的结构设计制造提供可靠的理论依据。

根据汽车行驶时车轮的受力状况，对现有转向节结构按照3种危险工况进行计算分析。即：紧急制动工况、侧滑工况、和越过不平路面3种典型危险工况。作用在转向节上的力，有车重的地面垂直压力1Z 、制动力b1F 和侧向力1Y 。

(1)紧急制动时，作用在前轮上的地面垂直反力1Z 和最大制动力b1F 分别产生弯矩

2M 和Fb M 。

1

2112b G M Z C m C =⋅=

⋅⋅ 1112

Fb

b b G

M F C m C ϕ=⋅=⋅⋅⋅

式中，1C Z -和1b F 在转向节指轴上作用点到突缘平面距离合成弯矩M 为

112

b

C G m M C ⋅⋅===

(2)侧滑时，作用在车轮上的力1Z (节内外的垂直压力力分别用11Z ，12Z 表示)和1Y （节内外的侧向力分别用11Y ，12Y 表示），在左右转向节上产生的力矩是不相同的。

在内侧转向节指轴根部：

11

11111112(1)()2g r r h G M Z C Y r C r B

ϕϕ=⋅+=-+

在外侧转向节指轴根部：

11

12121212(1)()2g r r h G M Z C Y r C r B

ϕϕ=⋅-=

+- 式中，B 一前轮距

1ϕ一横向附着系数

汽车转弯对，外轮转向节上的弯曲应力较内轮大。

(3)道路不平时，假定转向节受到加倍的垂直负荷。于是指轴根部的弯矩为

1122g G

M C G C =⋅=⋅

汽车在颠簸不平的道路上行驶时，由于车轮在垂直方向产生的振动给转向节造成的冲击性交变载荷，致使指轴根部发生疲劳折断。

将建立起的有限元模型导入ANSYS 中，依据不同工况的载荷求解，得到不同工况下转向节的应力及应变结果。依据所得到的数据，进行分析，再对设计好的转向节做调整。

三、研究步骤、方法及措施：

1.查阅相关资料，了解并熟悉研究程序

2.编写开题报告及文献综述

3.确定设计方案，绘制机械图纸

4.计算分析转向节在三个典型危险工况下的受力

5.运用ANSYS 建立转向节有限元模型

6.具体模拟、分析转向节在三种典型工况情况下静力学特性

7.依据分析之后的数据调节转向节的结构设计

8.完成对先前设计好的图纸的修改

9.整理资料，完成毕业论文