轉向節(jié)的結構設計與強度分析--開題報告

1、杭州電子科技大學畢業(yè)設計（論文）開題報告題目轉向節(jié)的結構設計和強度分析學院 機械工程學院專業(yè) 車輛工程姓名 吳志軍班級 車輛二班（07010512）學號 07010570指導教師 胡彥超一、本課題國內外研究動態(tài)及選題的依據(jù)和意義（一）課題研發(fā)背景汽車是重要的運輸工具，是科學技術發(fā)展水平的標志。同時也是 20世紀最顯著 的人文標志之一。它改變了人們的生活方式、時空和價值觀念。為人類社會的物質財 富和精神文明做出了巨大的貢獻。 汽車是產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度高、規(guī)模效益明顯、資金和技術 密集的重要產(chǎn)品，乂是唯一兼有大批量、高精度、群眾性消費特征的全球化產(chǎn)業(yè)，也 是唯一的一種零件以萬計、產(chǎn)量以白萬計、保有量以億計

2、，并惠及全人類的高科技產(chǎn) 品。汽車工業(yè)由于其資金密集、技術密集、人才密集、綜合性強、經(jīng)濟效益高的特點， 使得世界各個工業(yè)發(fā)達國家?guī)缀鯚o一例外地把汽車工業(yè)作國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車的研制、生產(chǎn)、銷售、運營，與國民經(jīng)濟許多部門都息息相關，對社會經(jīng)濟建設和科 學技術發(fā)展起著重要的推動作用。轉向節(jié)是汽車上的關鍵零件，它既支撐車體重量，乂傳遞轉向力矩和承受前輪剎 車制動力矩，因此對其機械性能和外形結構要求嚴格，是汽車上的重要安全零件之一。 轉向節(jié)包括轉向節(jié)軸和轉向節(jié)臂。 轉向節(jié)一般采用鍛造毛坯件，經(jīng)機械加工成為一個 復雜的空間受力件。轉向節(jié)圓錐軸上裝有一對單列圓錐滾子軸承， 使轉向節(jié)與前輪轂、 前輪制動

3、器相連。其圓錐軸端采用螺母緊固軸承與輪轂， 這樣就能使轉向節(jié)承受來自 地面的支承力、滾動阻力和制動力。其上端球銷通過縱向拉力桿與車架連接于一體， 并與整車相連，從而約束了轉向節(jié)沿x、y方向的位移和轉動，使其僅能沿z方向移動 和旋轉。轉向節(jié)的轉向節(jié)臂上有兩個球頭銷分別與轉向縱拉桿、 橫拉桿相連以保證左 右兩輪同步轉向。由此可見，轉向節(jié)承受著車輛轉向系統(tǒng)較大的負荷。（二）轉向節(jié)國內外研發(fā)現(xiàn)狀由于汽車轉向節(jié)使用的重要性和形狀的特殊性，國內外對轉向節(jié)的結構和強度分 析予以高度的重視，對其進行了深入的研究，取得了一定的研究成果。在國內，北京機電研究所、吉林工業(yè)大學、機械工業(yè)部第四設計院、中國重汽公 司、

4、山東光岳轉向節(jié)總廠、安慶白協(xié)鍛造廠等單位對轉向節(jié)進行了比較深入研究。鄭州輕工業(yè)學院機電工程學院的韓國立等提出了概率有限元分析，并得出影響其可靠性的主要因素是外負荷和彈性模量。河南師范學院的馮彬彩建立了斯太爾轉向節(jié)的實體 模型，并對轉向節(jié)的受力依照緊急制動工況、側滑工況和越過不平路面工況等三種危 險工況進行強度分析。合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院的張紅旗等實用ANSYS客車轉向節(jié)進行了受力分析。天津大學武一民等利用 NSRAN PARTAN農(nóng)用車轉向節(jié)結 構進行了有限元計算，并對結構變化對應力分布的影響進行了計算.同濟大學汽車學院的蔡智健等通過有限元建立某轎車轉向節(jié)模型。機械加工方面，佳木斯煤礦

5、機械廠的張風巖等對轉向節(jié)的機械加工進行了有效的研究，極大提高了生產(chǎn)效率。這些研究工作對汽車轉向節(jié)設計生產(chǎn)提供了寶貴的經(jīng)驗。優(yōu)化設計是上世紀60年代初發(fā)展起來的一門新學科，它是將最優(yōu)化原理和計算技 術應用丁設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。利用這種新的設計方 法，人們就可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計效率和質量。因此優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計理論和方法的一個重要領域，它己廣泛應用丁各個工業(yè)部門。人們在做一切工作時，總希望所選用的方案是一切可能方案中最好的，這就是最優(yōu)化問題。最優(yōu)化技術是研究和解決最優(yōu)化問題的一門學科，它是研究和解決如何在一切可能的方案中尋求最優(yōu)化的

6、方案。我國開始從事這方面的研究與應用比較晚。 雖然在機械設計中采用最優(yōu)化技術的 歷史很短，但其進展的速度卻是十分驚人的。無論在機構綜合、通用機械零部件設計， 還是在各種專業(yè)機械和工藝裝備的設計都由丁采用了最優(yōu)化技術而取得了顯著成果。 我國汽車工業(yè)不斷引進和采用新技術，特別是汽車 CAD CAE CAMM體化的進步，這 為我國汽車工業(yè)獨立自主開發(fā)創(chuàng)造了良好的條件。（三）選題的依據(jù)和意義轉向節(jié)是車輛轉向系的重要部件之一，運行工況比較復雜，使用是否安全可靠， 直接危及人、車安全。由丁其使用環(huán)境的特殊性，故要求其轉向節(jié)的使用壽命應達到 5萬小時以上。轉向節(jié)承受轉向輪的負載，以及路面?zhèn)鬟f來的沖擊力，同時

7、還傳遞來 自轉向器的轉向力實現(xiàn)對汽車行使方向的控制。因此，在強度，抗沖擊性、疲勞強度 以及可靠性方面都有很高的要求，基丁此，對丁其研究具有極其重大的意義。二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：對轉向節(jié)的受力情況，按三種危險工況進行靜力學分析，即：緊急制動工況、側 滑工況（向左側滑對）和越過不平路面工況。應用ANSY軟件建立轉向節(jié)有限元模型， 具體模擬、分析轉向節(jié)在三種典型工況情況下靜力學特性， 為轉向節(jié)的結構設計制造 提供可靠的理論依據(jù)。根據(jù)汽車行駛時車輪的受力狀況，對現(xiàn)有轉向節(jié)結構按照 3種危險工況進行計算 分析。即：緊急制動工況、側滑工況、和越過不平路面 3種典型危險工況。作用在轉 向節(jié)上

8、的力，有車重的地面垂直壓力 乙、制動力匕和側向力Y1。（1）緊急制動時，作用在前輪上的地面垂直反力 乙和最大制動力Fb1分別產(chǎn)生彎矩 M和盅。GiM 2 = Z1 C = ； m1b CMFb =Fbi C = m "b C2式中，C -乙和Fb1在轉向節(jié)指軸上作用點到突緣平面距離合成彎矩 的M = . M 2 M Fb2 = CZ Fb2 = C G mb1 提（2）側滑時，作用在車輪上的力Z（節(jié)內外的垂直壓力力分別用,Z12表示）和Y （節(jié)內外的側向力分別用Yi, Y2表示），在左右轉向節(jié)上產(chǎn)生的力矩是不相同的。在內側轉向節(jié)指軸根部：G2 ha 七M11 =乙C 丫rr = 1（

9、1 一一）（C "）2 B在外側轉向節(jié)指軸根部：G12 hg ' 1.M12 = Z12 C-Y2rr =（1 -）（C-仍）2 B式中，B 一前輪距9 一橫向附著系數(shù)汽車轉彎對，外輪轉向節(jié)上的彎曲應力較內輪大。（3）道路不平'時，假定轉向節(jié)受到加倍的垂直負荷。丁是指軸根部的彎矩為M g =2-1 C=G C g 2汽車在顛簸不平的道路上行駛時，由丁車輪在垂直方向產(chǎn)生的振動給轉向節(jié)造成 的沖擊性交變載荷，致使指軸根部發(fā)生疲勞折斷。將建立起的有限元模型導入ANSYS,依據(jù)不同工況的載荷求解，得到不同工況 下轉向節(jié)的應力及應變結果。依據(jù)所得到的數(shù)據(jù)，進行分析，再對設計好的

10、轉向節(jié)做 調整。三、研究步驟、方法及措施：1. 查閱相關資料，了解并熟悉研究程序2. 編寫開題報告及文獻綜述3. 確定設計方案，繪制機械圖紙4. 計算分析轉向節(jié)在三個典型危險工況下的受力5. 運用ANSYSt立轉向節(jié)有限元模型6. 具體模擬、分析轉向節(jié)在三種典型工況情況下靜力學特性7. 依據(jù)分析之后的數(shù)據(jù)調節(jié)轉向節(jié)的結構設計8. 完成對先前設計好的圖紙的修改9. 整理資料，完成畢業(yè)論文四、研究工作進度：序號時間1 2010/10/16-2010/11/102 2010/11/11-2010/11/243 2010/11/264 2011/1/17-2011/3/155 2011/3/16-20

11、11/4/146 2011/4/157 2011/4/16-2011/5/158 2011/5/16-2011/5/28內容布置任務，確定題目，審題，查閱相關資料；確定畢業(yè)設計方案，完成開題報告及文獻綜述開題報告答辯完成對轉向節(jié)的結構設計，繪制機械技能訓練圖，完成外文資料翻譯建立轉向節(jié)有限元模型，繪制設計圖紙上交外文資料翻譯，接受中期檢查對轉向節(jié)結構強度進行分析，并著手寫畢業(yè)論文整理有關資料，完成并上交畢業(yè)論文，準備答辯五、主要參考文獻：1 .紀名剛 濮良貴.機械設計M.北京：高等教育出版社，20062 .劉鴻文.材料力學M.北京：高等教育出版社，19723 .陳家瑞.汽車構造M.北京：機械工業(yè)出版社，20064 .周開勤.機械零件手冊M.北京：高等教育出版社，20005 .武活璽，陸曉敏.靜力學基礎M.南京：河海大學出版社，20016 .王世軍.有限元軟件ANSYS結構分析中的應用M.西安：西安理工大學出版社.19997 .馮培恩，邱活盈，潘雙夏等.機械產(chǎn)品的廣義優(yōu)化設計進程研究J.中國科學(E).1999 , 29(4) : 338 3468 .馮大碧，王勇，楊曉明，唐昌發(fā).客車左前輪轉向