转向节在装配过程中的力学特性分析

牛晓燕，王忠海，王桂香

（河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002）

转向节是汽车转向系统中的关键零件，与汽车悬架、前车轴、转向系统以及制动器总成相连，具有承受载荷和转向等重要功能［1］，也是汽车中受力最复杂、应力最集中的零件，其设计在汽车零部件设计中具有十分重要的地位，直接关系到汽车的安全性能.

由于转向节在汽车的安全性能方面具有十分重要的作用，国内外许多学者很早就对其进行了研究，主要集中在转向节的制造工艺和加工方法及其强度、刚度、疲劳失效等方面.曾忠敏等［2］对赛车的后转向节进行了多工况加权拓扑优化，减轻了后转向节的质量.王国权等［3］确定了某重型载货汽车转向前桥轮毂轴承的承载荷谱.刘佳［4］找出造成转向节销孔变形问题的根本原因是转向节销孔锁紧螺栓夹持力不足，并通过提高螺栓的拧紧力矩解决该问题.文献［5－6］介绍了使用金属基复合材料制作转向节，能明显增大转向节的强度、疲劳、冲击等性能，减少转向节的重量.文献［7－13］主要针对汽车在行驶过程中不同工况下转向节的受力进行分析，鲜有对转向节在装配过程中的力学特性进行分析.据此分别针对装配过程中转向节节臂锥孔拉大、球销沿锥孔方向位移过大等问题，对转向节结构进行应力分析，为确定合理的装配参数提供科学依据.

图1 简化前后模型对比Fig.1 Comparison between simplified models and original model

1 转向节有限元模型的建立

转向节的实体形状较为复杂，在不影响分析精度的前提下对模型进行了简化处理，使有限元模型既能反映工程结构的主要特征，又可以快速方便地建模，进行有限元计算.

1.1 有限元模型的建立与处理

由于考察部位位于节臂锥孔与球销接触面位置，而且只分析轴向力及摩擦系数对锥孔的影响，故对转向节模型进行简化，简化前后模型如图1所示.在球销端面施加轴向作用力模拟螺母拧紧过程中施加在球销上的作用力，在约束部位施加位移约束模拟螺母对节臂的约束作用.

1.2 有限元模型的网格划分

考虑模型简化后的对称性以及面接触等因素，球销与节臂均采用六面体一阶单元进行网格划分，网格类型及数量见表1.

表1 网格类型及数量Tab.1 Type and quantity of the grid

1.3 材料属性

球销材料为40Cr，节臂材料为QT450，其材料属性均按国家标准设定，如表2所示.

表2 材料属性Tab.2 Material properties

1.4 有限元模型边界条件

球销端面受到均布载荷作用，在球销与节臂接触部位建立面－面接触条件，在螺母与节臂接触部位设定全固定位移约束，如图2所示.根据悬架中连接件可靠连接的要求，将轴向力F 分5 种情况，依次为19，21，23，25，27.22kN共5组进行施加；由于球销在安装时，其表面可能存在油脂，造成摩擦系数存在波动，对应每种情况，接触面属性设定为0.05，0.1，0.15，0.24组摩擦系数μ 进行对比分析.共进行20组工况的计算分析.

图2 节臂与球销边界条件Fig.2 Boundary conditions of the knuckle arm and the spherical pin

2 计算结果

由于篇幅所限，仅给出在轴向力F 为27.22kN 下节臂锥孔的受力情况.

节臂锥孔内表面的Mises应力分布云图如图3所示.虽然摩擦系数不同，但平均Mises应力最大值都发生在锥孔内表面梯度最大处，且摩擦系数越小，内部产生较大应力的区域越大.

图3 轴向力F＝27.22kN 时节臂锥孔内表面应力分布云图Fig.3 Stress contours of knuckle arm's conical hole surface where axial force is 27.22kN

节臂锥孔内的塑性应变云图如图4所示.最大塑性变形均发生在锥孔表面梯度最大处.随着摩擦系数的增大，锥孔表面附近发生塑性变形的区域逐渐减小，对应摩擦系数μ＝0.05与μ＝0.20，其最大等效塑性应变（PEEQ）分别为0.011 03和0.000 416 3，大约相差26倍.

图4 轴向力F＝27.22kN 时节臂锥孔内塑性应变云图Fig.4 Plastic strain contours of knuckle arm's conical hole surface where axial force is 27.22kN

锥孔内表面的结点所受正压力分布云图如图5所示.最大正压力均发生在内表面梯度变化最大处.随着摩擦系数的增大，锥孔内表面结点正压力减小，对应摩擦系数μ＝0.05与μ＝0.20，最大正压力（CPRESS）分别为1 198N 和655N，2者相差543N.

图5 轴向力F＝27.22kN 时锥孔表面结点所受正压力分布云图Fig.5 Positive pressure distribution of nodes on the surface of taper hole where axial force is 27.22kN

3 结果分析

3.1 摩擦系数对转向节锥孔的影响

为分析摩擦系数对转向节锥孔的影响，图6分别给出了锥孔面上正压力、球销位移、锥孔面上结点最大应力及锥孔内最大塑性应变与摩擦系数的关系.

图6 不同摩擦系数对转向节锥孔的影响Fig.6 influence of friction coefficient on the steering knuckle conical hole

图6a表明，当轴向力一定时，随摩擦系数的增大，锥孔面上结点的最大CPRESS大幅度降低，且对于不同的轴向力，最大CPRESS随摩擦系数的变化趋势基本相同.以轴向力F＝27.22kN 与F＝19.00kN 的2条曲线为例，摩擦系数从0.05增长到0.20，对应的最大CPRESS分别降低543N 和443N.

图6b表明，球销位移随摩擦系数的增大而减小，轴向位移与摩擦系数呈反比例关系，随摩擦系数增大急剧递减.不同轴向力条件下，位移变化趋势基本相同.轴向力一定，锥孔面上摩擦系数增大时，球销与锥孔接触部位对球销的阻力越大，球销进入锥孔量和孔面受到的挤压力均减小.在给定的轴向力作用下，摩擦系数过小，将导致过大的球销位移，不能保证球销压入量在锥孔可接受范围内，易出现装配失效.

图6c表明，轴向力F＞21.00kN时，μ为0.05～0.10，锥孔面上受到的最大平均Mises应力呈下降趋势，μ为0.10～0.20，呈增大趋势，摩擦系数μ＝0.10时，平均Mises应力取到最小值；轴向力F＜21.00kN时，随着摩擦系数的增大，锥孔面上受到的最大平均Mises应力先增大后减小，在μ＝0.13附近平均Mises应力取到最大值.

图6d表明，锥孔内部最大PEEQ 变化趋势与位移变化趋势基本相同，当μ＜0.10时，PEEQ 与摩擦系数呈线性递减的关系；μ＞0.10时，变化趋势趋于平缓.

3.2 轴向力对转向节的影响

为分析轴向力对转向节锥孔的影响，图7分别给出了锥孔面上CPRESS、球销位移、Mises应力及锥孔内PEEQ 与轴向力的关系.

图7a表明，随轴向力的增大，面最大CPRESS也增大，摩擦系数越小，最大CPRESS越大.图7b表明，μ＞0.10时，球销位移与轴向力大小近似呈线性关系递增；μ＜0.10时，球销位移与轴向力大小近似呈指数关系递增.图7c表明，在轴向力23kN 附近，锥孔应力不再随着摩擦系数的变化而变化，逐渐趋于稳定.当F＜23.00kN 时，较小的摩擦系数引起较大的平均Mises应力产生；F＞23.00kN 时，较大的摩擦系数引起较大的平均Mises应力产生.在轴向力F＝23.00kN 时平均Mises应力趋于一稳定值，同时，在μ＝0.10时，平均Mises应力取到最小值，即在μ＝0.10，F＝23.00kN 时，得到最优工况.对比图7d与图7b，锥孔PEEQ和球销位移与轴向力的关系大致相似，即μ＞0.10时，PEEQ，球销位移与轴向力都近似呈线性递增的关系；μ＜0.10时，PEEQ，球销位移与轴向力都近似呈指数递增的关系.

图7 轴向力对转向节的影响Fig.7 Influence of axial force on the steering knuckle

4 结论

转向节安装的力学特性研究表明，摩擦系数的大小对球销位移量及表面压力等有显著地影响，在μ＝0.10，F＝23.00kN 时，得到最优工况.在轴向力F 为19.00～27.22kN 下，锥孔内应力已经超出材料的屈服强度310MPa，且发生大面积塑性变形，但PEEQ 小于目标限制（1%），满足强度要求；而在F＝27.22kN，μ＝0.05工况下，PEEQ 最大值为1.1%，大于目标限制，材料出现失效现象，不满足强度要求.故为保证装配后的尺寸要求及可靠性，可适当增大球销与节臂锥孔接触面处的摩擦系数，或提高锥孔内表面梯度最大处的强度，抵抗塑性变形的产生.同时使用本文的分析方法，得到摩擦系数一定时，存在最佳的压装力，因此为制定最佳的装配参数提供了指导.

［1］ 袁旦.车转向节有限元分析与优化设计［D］.杭州：浙江工业大学，2010.

［2］ 曾忠敏，张英朝.Formula SAE赛车转向节的拓扑优化［J］.汽车工程，2012，34（12）：1094－1099.ZENG Zhongming，ZHANG Yingchao.Topological optimization of the steering knuckle in a formula SAE racing car［J］.Automotive Engineering，2012，34（12）：1094－1099.

［3］ 王国权，张红松，张良城.重型载货汽车转向前桥轮毂轴承疲劳寿命的研究［J］.汽车工程，2012，34（8）：733－738.WANG Guoquan，ZHANG Hongsong，ZHANG Liangcheng.A study on the fatigue life of hub bearing in front steering axle of a heavy duty truck［J］.Automotive Engineering，2012，34（8）：733－738.

［4］ 刘佳.轿车转向节与下摆臂连接销孔变形问题研究［J］.上海汽车，2012（7）：60－62.LIU Jia.Study on the Pin hole deformation of automotive steering knuckle and lower arm［J］.Shanghai Auto，2012（7）：60－62.

［5］ VIJAYARANGAN S，RAJAMANICKAM N，SIVANANTH V.Evaluation of metal matrix composite to replace spheroidal graphite iron for a critical component，steering knuckle［J］.Materials and Design，2013，43：532－541.

［6］ SIVANANTH V，VIJAYARANGAN S，RAJAMANICKAM N.Evaluation of fatigue and impact behavior of titanium carbide reinforced metal matrix composites［J］.Materials Science and Engineering：A，2014，597：304－313.

［7］ 姜立标，王小城，何华，等.矿用电动轮自卸车转向节的有限元分析［J］.机械设计与制造，2014（1）：183－185.JIANG Libiao，WANG Xiaocheng，HE Hua，et al.Finite element analysis on the knuckle of mining dump truck［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2014（1）：183－185.

［8］ 赵甲运，张蕾.基于Hyperworks某铸造式汽车转向节的有限元分析［J］.轻型汽车技术，2011（3）：23－26.ZHAO Jiayun，ZHANG Lei.Finite element analysis of a casting type automobile steering knuckle based on Hyperworks［J］.Light Vehicles，2011（3）：23－26.

［9］ 李立友，李芳，袁旦.基于Nastran的汽车转向节危险工况有限元分析［J］.机电工程，2010，27（3）：38－40.LI Liyou，LI Fang，YUAN Dan.Automotive steering knuckle finite element analysis based on Nastran under dangerous working conditions［J］.Journal of Mechanical ＆Electrical Engineering，2010，27（3）：38－40.

［10］ 时军波，徐娜，李永徳，等.农用机动车转向节臂断裂失效分析［J］.热加工工艺，2013，42（22）：207－209.SHI Junbo，XU Na，LI Yongde，et al.Failure analysis of farm vehicle steering knuckle arm［J］.Hot Working Technology，2013，42（22）：207－209.

［11］ 武一民，崔根群，董正身.转向节结构有限元分析［J］.拖拉机与农用运输车，2004（6）：8－9.WU Yimin，CUI Genqun，DONG Zhengshen.The structure finite element analysis of steering knuckle［J］.Tractor ＆Farm Transporter，2004（6）：8－9.

［12］ 蒋玮.转向节有限元分析及试验验证［J］.车辆与动力技术，2008（4）：5－8.JIANG Wei.Finite element analysis and experimental validation of steering knuckle design［J］.Vehicle ＆Power Technology，2008（4）：5－8.

［13］ 江迎春，陈无畏.基于ANSYS的轿车转向节疲劳寿命分析［J］.汽车科技，2008（3）：32－36.JIANG Yingchun，CHEN Wuwei.Fatigue life analysis of a steering knuckle based on FEM by ANSYS［J］.Auto Mobile Science ＆Technology，2008（3）：32－36.