汽车转向节臂的强度分析及结构优化(附件)【字数：10048】
摘 要汽车上的转向节臂又叫作梯形臂，是转向传动装置的最后一级传力部件，转向节臂安装在左右转向节上，另一端用球销和横拉杆接连。因此它受到来自各个方向上力的作用，会受到弯矩和扭矩的作用，有时会发生偏劳断裂失效的情况，因此其疲劳强度十分的重要。本文通过对转向节臂进行有限元分析，分析其静力学和疲劳强度寿命，并且优化其结构提高转向节臂的强度以及寿命。本文通过对转向节臂进行有限元分析，分析其静力学和疲劳强度寿命，并根据分析结果来对转向节臂的结构进行优化，以此来提高转向节臂的强度和寿命。
Keywords: steering knuckle arm; fatigue strength; finite element analysis; structural optimization 目 录
第一章 绪论1
1.1概论1
1.2研究背景1
1.3研究目的3
1.4研究方法及内容3
第二章 针对转向节臂的理论计算4
2.1转向节臂的承载分析4
2.2转向节臂的疲劳寿命计算方法介绍7
2.3疲劳寿命估算9
第三章 汽车转向节臂建模10
3.1 UG软件的发展介绍10
3.2汽车转向节臂的模型三维图10
第四章 转向节臂的有限元分析11
4.1有限元分析软件ANSYS的介绍11
4.2建立有限元模型11
4.3有限元网格划分11
4.4更新单元12
4.5定义材料属性13
4.6转向节臂的有限元分析 13
第五章 对转向节臂结构的优化15
5.1常用优化措施15
5.2优化方法和结果15
第六章 结束语16
致谢17
参考文献18
第一章 绪论
1.1概论
我们在驾驶汽车时，通常会通过方向盘的转动来改变汽车的行驶方向。驾驶员对方向盘施加的转向力矩通过转向系传递到轮毂使得车轮偏转，在转向系中就有一个很重要的部件叫做转向节臂，它受到来自各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
个方向上力的作用，不仅仅是转向系提供的力，还受到在行驶过程中路况不稳带来的一些力的作用，所以它的强度十分重要，它决定了汽车在行驶状态上的安全性和可靠性。在此基础上，需要对其进行强度分析并优化转向节臂的结构，可从材料，疲劳强度或者表面强化等方面进行优化，使其寿命更长，提高行驶安全性。
1.2研究背景
陕西重型汽车有限公司的胡艳连和刘常青阐述了转向节臂强度分析[1]，啊把传统的理论计算方法和有限元方法对某转向节臂强度相结合进行共同分析，来验证强度满足要求，从理论上验证了转向节臂设计的合理性，为设计提供了理论依据。?
郑州轻工业学院机电工程学院的马宇阐述了重载汽车转向节臂的强度分析及结构优化[2]，他们利用ANSYS 软件对转向节臂在静载荷的工况下进行应力的分析，并计算出转向节臂的等效应力分布规律。在等效应力分布图中找出应力值最大的地方并对危险截面进行过渡圆角半径增加的措施，降低了转向节臂所受到的最大应力值，在相同性能的情况下，用更少的材料制作，得出了提高转向节臂强度的有效方法。
中国汽车工程研究院股份有限公司的陈军阐述了转向节臂在重型商用车上面使用寿命短的原因[3]，以实际的车型工况为基础测得了转向节臂的输入载荷，以此结合了疲劳损伤理论确定了试验所需的载荷谱，然后进行了转向节臂的疲劳试验。最终实验验证了转向节臂的性能，找到了其可能会发生问题的部位，为以后的研究提供了方法和依据。
中国第一汽车集团公司技术中心的王敢利阐述了贝氏体转向节臂微合金非调制钢的疲劳性能研究[4]，通过对高强度转向节臂用贝氏体微合金非调质钢的力学性能和弯曲疲劳性能的测定，证实了新开发的微合金贝氏体非调质钢单向弯曲疲劳性能高于调质处理的42CrMoA钢200 N/mm2以上，可以满足设计强度不断提高的商用车转向节臂的使用要求 ，为转向节臂的材料增加了更多的选择。
江苏大学汽车学院的王延强阐述了某型汽车转向节臂断裂原因分析[5]，从理论分析、截面观察和有限元模拟三方面来判定某汽车转向节臂断裂失效的原因, 并对出现断裂的转向节臂采取了一些改进措施，比如加大过渡圆角和强化表面强度等方法，并通过实验证明措施的正确性和可行性。
大连浦州航空科技有限公司的张吉宏阐述了在不改变转向设计要求的情况下将转向节壳设计成有转向节臂功能的结构[6]，应用有限元法对转向节臂进行结构分析，因为原本的转向节臂所有承载力不能满足要求，所以他在文中提出了并介绍了新的转向零件，并通过各种试验结果表明，这个新的转向机构所具备的优点，及其设计的合理性，在实际使用中完全满足设计要求。这是首次做出的突破性改进。
北京科技大学机械工程学院的唐歌腾阐述了如何对多工况下的转向节臂进行优化设计[7]。他考虑到转向节臂在矿用自卸车上使用会受到多种工况影响，便建立了转向节臂的受载分析模型，将每个受载工况的临界点算出来之后根据工况之间的优先级对各工况进行权重赋值并重新建立受载分析数学模型，得出了转向节臂的多工况优化设计模型.应用Matlab编程求解，最终实现了转向节臂的多工况优化设计，再通过在使用情况下每个单工况优化的对比分析，完善了汽车转向节臂在多工况下实际应用的优化设计。
南昌航空大学的徐学春阐述了利用40Cr合金钢制作的汽车转向节臂出现断裂失效的分析[8]，首先是针对锻打成形的40Cr合金钢汽车转向节臂在实际工况下产生断裂断裂失效的原因进行了判定。然后对出现断裂的局部进行断口形貌和微观组织以及强度进行分析。在SEM.EDS.金相的显示中，含有大量的Si.Ca和A1元素，由于元素的斑驳产生了不同于原物质的杂质金属,造成局部应力过大而产生裂纹源,并且在材料外表面出现脱碳层,随着使用中循环应力的作用下，使疲劳裂纹萌生和扩展,最终发生双源疲劳断裂。
南京汽车集团汽车工程研究院阐述了如何对大型载货汽车的转向节臂进行疲劳强度的分析和优化。他利用有限元分析方法并结合Radioss工程软件,对目标转向节臂进行疲劳分析并提出优化建议,扩大装配面的直径并对转向节臂进行表面强化处理,明显的提高了转向节臂的疲劳寿命。
中国兵器研究院的元涛阐述了汽车左转向节臂断裂失效与材料加工工艺之间的联系[10] ，他针对研究的是某厂利用40Cr制作并经过调质处理的汽车左转向节臂。因为该零件在使用过程中发生早期断裂失效,采用金相分析的方法对断裂原因进行分析。分析结果表明,该材料表面存在氧化皮等锻造缺陷,且调质处理后的材料的显微组织不满足技术条件,从而造成该零件在使用过程中发生早期断裂,造成失效。
Keywords: steering knuckle arm; fatigue strength; finite element analysis; structural optimization 目 录
第一章 绪论1
1.1概论1
1.2研究背景1
1.3研究目的3
1.4研究方法及内容3
第二章 针对转向节臂的理论计算4
2.1转向节臂的承载分析4
2.2转向节臂的疲劳寿命计算方法介绍7
2.3疲劳寿命估算9
第三章 汽车转向节臂建模10
3.1 UG软件的发展介绍10
3.2汽车转向节臂的模型三维图10
第四章 转向节臂的有限元分析11
4.1有限元分析软件ANSYS的介绍11
4.2建立有限元模型11
4.3有限元网格划分11
4.4更新单元12
4.5定义材料属性13
4.6转向节臂的有限元分析 13
第五章 对转向节臂结构的优化15
5.1常用优化措施15
5.2优化方法和结果15
第六章 结束语16
致谢17
参考文献18
第一章 绪论
1.1概论
我们在驾驶汽车时，通常会通过方向盘的转动来改变汽车的行驶方向。驾驶员对方向盘施加的转向力矩通过转向系传递到轮毂使得车轮偏转，在转向系中就有一个很重要的部件叫做转向节臂，它受到来自各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
个方向上力的作用，不仅仅是转向系提供的力，还受到在行驶过程中路况不稳带来的一些力的作用，所以它的强度十分重要，它决定了汽车在行驶状态上的安全性和可靠性。在此基础上，需要对其进行强度分析并优化转向节臂的结构，可从材料，疲劳强度或者表面强化等方面进行优化，使其寿命更长，提高行驶安全性。
1.2研究背景
陕西重型汽车有限公司的胡艳连和刘常青阐述了转向节臂强度分析[1]，啊把传统的理论计算方法和有限元方法对某转向节臂强度相结合进行共同分析，来验证强度满足要求，从理论上验证了转向节臂设计的合理性，为设计提供了理论依据。?
郑州轻工业学院机电工程学院的马宇阐述了重载汽车转向节臂的强度分析及结构优化[2]，他们利用ANSYS 软件对转向节臂在静载荷的工况下进行应力的分析，并计算出转向节臂的等效应力分布规律。在等效应力分布图中找出应力值最大的地方并对危险截面进行过渡圆角半径增加的措施，降低了转向节臂所受到的最大应力值，在相同性能的情况下，用更少的材料制作，得出了提高转向节臂强度的有效方法。
中国汽车工程研究院股份有限公司的陈军阐述了转向节臂在重型商用车上面使用寿命短的原因[3]，以实际的车型工况为基础测得了转向节臂的输入载荷，以此结合了疲劳损伤理论确定了试验所需的载荷谱，然后进行了转向节臂的疲劳试验。最终实验验证了转向节臂的性能，找到了其可能会发生问题的部位，为以后的研究提供了方法和依据。
中国第一汽车集团公司技术中心的王敢利阐述了贝氏体转向节臂微合金非调制钢的疲劳性能研究[4]，通过对高强度转向节臂用贝氏体微合金非调质钢的力学性能和弯曲疲劳性能的测定，证实了新开发的微合金贝氏体非调质钢单向弯曲疲劳性能高于调质处理的42CrMoA钢200 N/mm2以上，可以满足设计强度不断提高的商用车转向节臂的使用要求 ，为转向节臂的材料增加了更多的选择。
江苏大学汽车学院的王延强阐述了某型汽车转向节臂断裂原因分析[5]，从理论分析、截面观察和有限元模拟三方面来判定某汽车转向节臂断裂失效的原因, 并对出现断裂的转向节臂采取了一些改进措施，比如加大过渡圆角和强化表面强度等方法，并通过实验证明措施的正确性和可行性。
大连浦州航空科技有限公司的张吉宏阐述了在不改变转向设计要求的情况下将转向节壳设计成有转向节臂功能的结构[6]，应用有限元法对转向节臂进行结构分析，因为原本的转向节臂所有承载力不能满足要求，所以他在文中提出了并介绍了新的转向零件，并通过各种试验结果表明，这个新的转向机构所具备的优点，及其设计的合理性，在实际使用中完全满足设计要求。这是首次做出的突破性改进。
北京科技大学机械工程学院的唐歌腾阐述了如何对多工况下的转向节臂进行优化设计[7]。他考虑到转向节臂在矿用自卸车上使用会受到多种工况影响，便建立了转向节臂的受载分析模型，将每个受载工况的临界点算出来之后根据工况之间的优先级对各工况进行权重赋值并重新建立受载分析数学模型，得出了转向节臂的多工况优化设计模型.应用Matlab编程求解，最终实现了转向节臂的多工况优化设计，再通过在使用情况下每个单工况优化的对比分析，完善了汽车转向节臂在多工况下实际应用的优化设计。
南昌航空大学的徐学春阐述了利用40Cr合金钢制作的汽车转向节臂出现断裂失效的分析[8]，首先是针对锻打成形的40Cr合金钢汽车转向节臂在实际工况下产生断裂断裂失效的原因进行了判定。然后对出现断裂的局部进行断口形貌和微观组织以及强度进行分析。在SEM.EDS.金相的显示中，含有大量的Si.Ca和A1元素，由于元素的斑驳产生了不同于原物质的杂质金属,造成局部应力过大而产生裂纹源,并且在材料外表面出现脱碳层,随着使用中循环应力的作用下，使疲劳裂纹萌生和扩展,最终发生双源疲劳断裂。
南京汽车集团汽车工程研究院阐述了如何对大型载货汽车的转向节臂进行疲劳强度的分析和优化。他利用有限元分析方法并结合Radioss工程软件,对目标转向节臂进行疲劳分析并提出优化建议,扩大装配面的直径并对转向节臂进行表面强化处理,明显的提高了转向节臂的疲劳寿命。
中国兵器研究院的元涛阐述了汽车左转向节臂断裂失效与材料加工工艺之间的联系[10] ，他针对研究的是某厂利用40Cr制作并经过调质处理的汽车左转向节臂。因为该零件在使用过程中发生早期断裂失效,采用金相分析的方法对断裂原因进行分析。分析结果表明,该材料表面存在氧化皮等锻造缺陷,且调质处理后的材料的显微组织不满足技术条件,从而造成该零件在使用过程中发生早期断裂,造成失效。
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