1 引言
轉向節作為重要的底盤元件，連接輪胎與底盤結構。它承受轉向輪的垂向負荷及路面對汽車的沖擊，同時還要承受轉彎和制動等動作而產生的側向和縱向力及力矩。因此對轉向節在強度、抗沖擊性以及可靠性方面都有要求，故轉向節的設計通常都會進行過量設計。然而，由于位置特殊，連接部件較多，為了避免運動干涉，轉向節的設計又受到空間的限制，從而出現薄弱部位或應力集中部位，導致轉向節強度、疲勞等性能不能滿足要求，引起行車安全。鑒于轉向節的強度和疲勞直接關系到整車的安全性，有必要對其進行詳細的考量。隨著有限元的發展，可利用多體動力學對轉向節在行車過程中的姿態和載荷進行仿真，并利用有限元軟件對轉向節進行強度和疲勞分析。
2 轉向節載荷獲取
轉向節與多個底盤元件連接，承受和傳遞多個方向的力及力矩，因此，在利用多體仿真提取轉向節載荷時，應根據轉向節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，轉向節與車軸、支柱、下擺臂、轉向拉桿連接。不同工況下輪胎著地點處載荷、車身姿態均不同，故轉向節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向節受力。
表1 轉向節受力分析
圖1 轉向節結構及受力
2.2仿真工況
轉向節在汽車行駛過程中，需要考慮以下三種工況：上下顛簸（垂向沖擊）、左右轉向（側向力）、前進制動（縱向力）。施加的載荷（或沖擊）及評判標準可由試驗體系確定，通常可通過對臺架試驗和道路可靠性試驗進行總結得到。
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。為提取制動鉗處的載荷，轉向節采用柔性體，用Revolute模擬車軸與轉向節的連接，用bushing模擬制動力矩對制動鉗安裝支耳的作用。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，通過仿真獲得轉向節各接附點的載荷（或載荷譜），用于強度（或疲勞）計算。
3 強度分析
轉向節采用四面體單元，考慮材料非線性，利用慣性釋放法，進行轉向節強度計算。
圖3 轉向節制動工況計算結果
轉向節計算結果如下表。
表3 轉向節計算結果
4 結論
(1)利用多體動力學對轉向節進行載荷分解，特別是在多體建模中考慮制動鉗對轉向節的作用，可準確地反映臺架試驗工況中，轉向節的受力情況。
(2)對一些在試驗中失效的轉向節，進行同樣的強度分析，開裂位置與計算結果保持一致。后期的試驗驗證證明計算結果可以對轉向節強度進行評價和控制。
(3)轉向節通常破壞形式為疲勞破壞，利用Adams模型提取動態載荷，可進行轉向節疲勞計算。
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本文標題：基于多體動力學仿真的轉向節強度分析
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