1 引言

    轉(zhuǎn)向節(jié)作為重要的底盤(pán)元件，連接輪胎與底盤(pán)結(jié)構(gòu)。它承受轉(zhuǎn)向輪的垂向負(fù)荷及路面對(duì)汽車(chē)的沖擊，同時(shí)還要承受轉(zhuǎn)彎和制動(dòng)等動(dòng)作而產(chǎn)生的側(cè)向和縱向力及力矩。因此對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)在強(qiáng)度、抗沖擊性以及可靠性方面都有要求，故轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)通常都會(huì)進(jìn)行過(guò)量設(shè)計(jì)。然而，由于位置特殊，連接部件較多，為了避免運(yùn)動(dòng)干涉，轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)又受到空間的限制，從而出現(xiàn)薄弱部位或應(yīng)力集中部位，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度、疲勞等性能不能滿足要求，引起行車(chē)安全。鑒于轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度和疲勞直接關(guān)系到整車(chē)的安全性，有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的考量。隨著有限元的發(fā)展，可利用多體動(dòng)力學(xué)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)在行車(chē)過(guò)程中的姿態(tài)和載荷進(jìn)行仿真，并利用有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)載荷獲取

    轉(zhuǎn)向節(jié)與多個(gè)底盤(pán)元件連接，承受和傳遞多個(gè)方向的力及力矩，因此，在利用多體仿真提取轉(zhuǎn)向節(jié)載荷時(shí)，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)具體的載荷傳遞途徑，建立合理的多體模型。

2.1受力分析

    以麥弗遜懸架為例，轉(zhuǎn)向節(jié)與車(chē)軸、支柱、下擺臂、轉(zhuǎn)向拉桿連接。不同工況下輪胎著地點(diǎn)處載荷、車(chē)身姿態(tài)均不同，故轉(zhuǎn)向節(jié)承受的力和力矩也不一致，表1定性地分析了不同工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)受力。

表1 轉(zhuǎn)向節(jié)受力分析

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)及受力

2.2仿真工況

    轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車(chē)行駛過(guò)程中，需要考慮以下三種工況：上下顛簸（垂向沖擊）、左右轉(zhuǎn)向（側(cè)向力）、前進(jìn)制動(dòng)（縱向力）。施加的載荷（或沖擊）及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可由試驗(yàn)體系確定，通常可通過(guò)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)和道路可靠性試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)得到。

表2 仿真工況

2.3多體模型及仿真

    在ADAMS/ACAR模塊下建立懸架多體模型（不含輪胎模型），在輪心及輪胎著地點(diǎn)分別建立Marker，并在其上定義motion、Vforce等，用于
施加位移及載荷。為提取制動(dòng)鉗處的載荷，轉(zhuǎn)向節(jié)采用柔性體，用Revolute模擬車(chē)軸與轉(zhuǎn)向節(jié)的連接，用bushing模擬制動(dòng)力矩對(duì)制動(dòng)鉗安裝支耳的作用。最終多體模型如圖2所示。

圖2 多體模型示意圖

    根據(jù)不同的工況，確定單輪的載荷，并以力（或力矩）的形式施加到輪心或輪胎著地點(diǎn)，通過(guò)仿真獲得轉(zhuǎn)向節(jié)各接附點(diǎn)的載荷（或載荷譜），用于強(qiáng)度（或疲勞）計(jì)算。

3 強(qiáng)度分析

    轉(zhuǎn)向節(jié)采用四面體單元，考慮材料非線性，利用慣性釋放法，進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度計(jì)算。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)制動(dòng)工況計(jì)算結(jié)果

    轉(zhuǎn)向節(jié)計(jì)算結(jié)果如下表。

表3 轉(zhuǎn)向節(jié)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

    (1)利用多體動(dòng)力學(xué)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行載荷分解，特別是在多體建模中考慮制動(dòng)鉗對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的作用，可準(zhǔn)確地反映臺(tái)架試驗(yàn)工況中，轉(zhuǎn)向節(jié)的受力情況。

    (2)對(duì)一些在試驗(yàn)中失效的轉(zhuǎn)向節(jié)，進(jìn)行同樣的強(qiáng)度分析，開(kāi)裂位置與計(jì)算結(jié)果保持一致。后期的試驗(yàn)驗(yàn)證證明計(jì)算結(jié)果可以對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)和控制。

    (3)轉(zhuǎn)向節(jié)通常破壞形式為疲勞破壞，利用Adams模型提取動(dòng)態(tài)載荷，可進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞計(jì)算。

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