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1 is is of to of is in of is to a to in in it to be D by 5as as 2 to on 061 E of 1. is is in 015. of is to is to by a s is to a A is a a is a of it be to of A of is in is in as in . is a a to FE a 2 or it to et al of be To a is on a is an of a of to is a A 3D is to et in of it is of of it of on as a of is of an is to of a to in to is on an is in of In of a a an to be of by In of at of a to of of as in . an 3 a so it be to a In a of to to of . . he of is to a as as To 061to as as of 061 a of 5 as . 4 of an is a is as in . In in on In of of is an to of as as of by i. as in x, y z G's in x, y, z 4.6 .3 3. he of is a to s of is in is is up of or is to a of in . To of is on of to of is of on to on as as In a on to to on as as of EA in to as as to by of or on is in . 5 of of is is of in 061is l 60616 of 2500N ne s AE 1110 N 3610 N is on of on . on 3561 N 3500 N V. n 600 N 4. or EA of 3D is v5 GS as in in is 87 0of , Y of as of 2.0 in n is to to at As on on 0kg to of of on x,y, z , 2800 N 000 N , Y as in . A of is in 81775 20120 to on In of in of is to a 7 . . 0. he of is In on in by to is in I. . he is a in it of E as in as 11 is in 2 96446 27590 By it is it 8 of 4. . he on of at of of of in to N8 is in it is EA is as in 5. of 47630 01000 6. of 9 . of it is in of In is a is is of is as it to it is it at of EA in . . . of is to be 015 is of is to to at as as 061to be to as as It 10 E of to be of in 016 an to be to to of 11 全 地形車輛轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元分析 摘要 ： 在 全 地形車輛中轉(zhuǎn)向節(jié)是最 易 承受 壓力的關(guān)鍵組件，轉(zhuǎn)向節(jié)是轉(zhuǎn)向和懸掛系統(tǒng)的軸心點，它使得前輪能夠轉(zhuǎn)向和懸掛部件進行擺臂運動。重量輕 ,強度高的特點也總是在賽車中得到應(yīng)用。輕量級和轉(zhuǎn)向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計也使用在 于 全 地形車輛在某些情況下轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)易發(fā)生故障，它必須被優(yōu)化為更好的性能。通過5和靜態(tài)模型創(chuàng)建 3D 2操作系統(tǒng)下分析理解其原理。所有的框架測試都在鋁合金 6061于主軸 文討論了現(xiàn)有的有限元分析和修改轉(zhuǎn)向節(jié)。 12 1 介紹 全地形車是 015年組織。比賽的目的是模擬現(xiàn)實世界的工程設(shè)計項目及其相關(guān)挑戰(zhàn)。 每個團隊正在爭取將其設(shè)計被虛擬公司制造接受。 每個隊的目標是設(shè)計和構(gòu)建一個單座、全地形的運動車，其中可包含駕駛員。 轉(zhuǎn)向節(jié)是安裝有輪轂的部件，在非常高的應(yīng)力條件下運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向和制動支架。 轉(zhuǎn)向節(jié)不是地形車輛部件的標準部件，但能適用于任何型號的賽車。 因此，設(shè)計需要變化以適應(yīng)各種應(yīng)用和懸架類型。 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向節(jié)的 所示，用于賽車中的模型如圖 3所示。有限元分析（ 一種預(yù)測產(chǎn)品 如何對現(xiàn)實力，振動和其他物理效應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)的方法。 有限元分析顯示產(chǎn)品是否會磨損，破壞或以其設(shè)計的方式工作。 先進的優(yōu)化技術(shù)有助于探索輕型結(jié)構(gòu)。 以適用于許多鑄件。為了得出主要負載情況所需的最佳負載路徑，他們對設(shè)計量進行了拓撲優(yōu)化，并根據(jù)生成的拓撲結(jié)果設(shè)計出了概念模型。 該型號經(jīng)過驗證，適用于所有極端負載和耐久性負載，有助于大幅度減少模型。 出了一種支持結(jié)構(gòu)部件形狀優(yōu)化的綜合設(shè)計和制造方法。 該方法從原始概念階段開始，設(shè)計者須對其中結(jié)構(gòu) 部件的邊界和裝載條件，以及結(jié)構(gòu)布局進行拓撲優(yōu)化。采用 3 根據(jù) 向節(jié)在車輛的多個方向控制中起主要作用，它也與其他連桿相聯(lián)系，并支撐汽車的垂直重量。為了找出最小應(yīng)力面積，研究涉及使用最新的建模軟件，使用設(shè)計參數(shù)對轉(zhuǎn)向節(jié)進行建模，并且還包括確定作為時間函數(shù)的轉(zhuǎn)向節(jié)上的載荷。 張勇松研究了碰撞和制動負載條件下汽車轉(zhuǎn)向節(jié)部件的可靠性設(shè)計優(yōu)化（ 概率設(shè)計問題是使受到應(yīng)力、變形和頻率約束的轉(zhuǎn)向節(jié)部件的重量最小化，以滿足給定的目標可靠性。 初始設(shè)計是根據(jù)實際車輛規(guī)格生成的。有限元分析采用 過移動最小二乘法（ 近似優(yōu)化的上下文中獲得概率最優(yōu)解。 13 在本研究中，為賽車設(shè)計一個耐用可靠的轉(zhuǎn)向節(jié)，是最終實現(xiàn)的目標。賽車組件的開發(fā)與主辦單位制定的規(guī)則相結(jié)合。在轉(zhuǎn)向節(jié)的現(xiàn)有設(shè)計中，其重量非常小，但是在比賽中，由于轉(zhuǎn)向節(jié)的強度低和螺栓接頭的強度高，轉(zhuǎn)向臂已經(jīng)與轉(zhuǎn)向節(jié)分離，如圖 2所示。當轉(zhuǎn)向臂拉肘時車會隨之轉(zhuǎn)向，所以應(yīng)該用轉(zhuǎn)向節(jié)組裝，以加強轉(zhuǎn)向和制動機制。在提出的設(shè)計中，單個轉(zhuǎn)向節(jié)包括轉(zhuǎn)向臂和制動鉗，并且不提供任何螺栓連接，以提高其 強度并直接附接到轉(zhuǎn)向節(jié)中。 圖 1 轉(zhuǎn)向節(jié)的 圖 2 轉(zhuǎn)向節(jié) 14 圖 3 2 轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計 研究的目的是設(shè)計一個具有最小重量和最大強度的轉(zhuǎn)向節(jié)。為滿足這一要求，鋁合金 6061金是當今汽車工業(yè)中最好的選擇，重量輕、密度低、屈服強度相近。表 1顯示了鋁 6061合金的物理和機械性能?？紤]到上述事實，使用如圖 1所示的 5制備了轉(zhuǎn)向節(jié)的 型。根據(jù)越野車輛的一般懸掛幾何參數(shù)，設(shè)計了該模型?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)向節(jié)是輪轂型，如圖 2所示。其中輪轂安裝在軸承上，輪胎上安裝在輪轂上。在這種類型的轉(zhuǎn)向節(jié)中，制動鉗和轉(zhuǎn)向臂的安裝直接連接在一起而不需要外部接頭，但是為了降低制造成本以及所需的原材料，轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計需要由三個部分共同完成：幀、轉(zhuǎn)向臂、剎車卡鉗安裝。 負載考慮按照三個分量 x， y和 z 方向的權(quán)重偏移和分解， G 在 x， y和 z 方向的力計算分別為 15 3 改良轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 設(shè)計的目的是為賽車提供可靠和耐用的轉(zhuǎn)向節(jié)，以克服以往的失敗。轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計是主軸類型，其中框架和主軸由相同或不同的材料組成。該材料用于設(shè)計車輛框 架為特性如表 1所示。為了限制輪轂的橫向移動，在主軸端部設(shè)有鎖緊螺母裝置，并提高螺栓接頭，主軸的強度由材料 成。設(shè)計過程開始于對現(xiàn)有轉(zhuǎn)向節(jié)組件用于先前賽車的初步研究，包括調(diào)查現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計 。 設(shè)計還需要遵循 織者制定的標準和規(guī)定，主要取決于懸架以及轉(zhuǎn)向幾何參數(shù)。 通常，轉(zhuǎn)向節(jié)在連接到上臂、下臂和拉桿的主體部分上具有三個連接。 因此，設(shè)計需要強調(diào)這三個連接，以及連接器的一側(cè)連接制動鉗。然后通過有限元分析模擬評估最終設(shè)計，以估計撓度，應(yīng)力分布以及重量。 根據(jù)結(jié)果，優(yōu)化了材料的 厚度設(shè)計，或在角落上加工圓角和倒角。 所提出的設(shè)計如圖 4所示。 圖 4 轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計模型（外殼） 圖 5 轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計模型（軸） 16 圖 6 轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計模型（周） 料選擇 各種類型的材料目前用于轉(zhuǎn)向節(jié)部件，如灰口鑄鐵，白色鑄鐵。 這些材料具有高屈服強度，但是賽車對材料的限制更多的是重量。因此，尋找具有最接近的屈服強度和重量輕的替代材料，基于該因素和成本考慮，使用鋁合金 6061 表 1 鋁 6061屬性 單位 鋁 6061 度 Kg/700 2700 拉伸屈服強度 76 276 拉力極限強度 10 310 彈性模量 9 71 泊松比 汽車整備質(zhì)量 =2500N 17 1100N 汽車總重量 =3600N 當車輛在單輪前進時的跳躍和著陸時，車輛總重量應(yīng)負載到主軸上。 1. 主軸上負載力 =3561N 2. 制動力 =3500N 3. 制動力矩 =. 轉(zhuǎn)向臂力 =600N 18 4限元分析 對于現(xiàn)有和改良過的關(guān)節(jié)的有限元分析， 3以 表 1所示的材料屬性已經(jīng)在工程數(shù)據(jù)中分配。 模型與 87六面體 10節(jié)點元素進行網(wǎng)格化。 固體元素具有三個自由度，即在 X， 方向的平移。 轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元分析已經(jīng)針對不同的邊界條件進行，并根據(jù)材料的材料特性觀察應(yīng)力水平。 使用 有設(shè)計 現(xiàn)有設(shè)計是輪轂式轉(zhuǎn)向節(jié)，觀察到最大應(yīng)力產(chǎn)生轉(zhuǎn)向節(jié)，模型受到極端條件的影響。轉(zhuǎn)向節(jié)在上，下球接頭上受到限制。根據(jù)裝載條件，每個車 輪前側(cè)的重量偏重 60量。根據(jù)車輛速度，在 x， y， z 方向上考慮了三分力。如圖 7所示，分別在 X， 方向施加了 1400 N， 2800 000 有轉(zhuǎn)向節(jié)的網(wǎng)格模型如圖 8所示，具有 181775個節(jié)點和 120120個元素。參考分析結(jié)果，設(shè)計上的最大應(yīng)力小于材料屈服強度，并且在所分配的載荷下的偏轉(zhuǎn)非常小。此外，在 件中還對大量的型號進行了評估，因為當前項目的最終目標是設(shè)計輕型轉(zhuǎn)向節(jié)。 19 圖 7 邊界條件 圖 8 轉(zhuǎn) 向節(jié)網(wǎng)格模型 圖 9 等效應(yīng)力 圖 10 最大主要壓力 轉(zhuǎn)向節(jié)的修改設(shè)計是主軸類型。 在這種類型中，輪轂在主軸和主軸上通過過盈配合旋轉(zhuǎn)。 為了減少材料，根據(jù)裝載條件，改裝指節(jié)分兩部分設(shè)計：框架，軸。 框架是上下懸架臂樞轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，它由轉(zhuǎn)向臂和制動鉗的安裝組成。 對于有限元分析， 20 邊界條件適用于負荷分布部分的討論如圖 11 所示，網(wǎng)格模型如圖 12所示，具有 196446個節(jié)點和 127590個元素。 通過觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其變形非常小，為 圖 11 框架的邊界條件 圖 12 改良邊框的網(wǎng)格模型 圖 13 網(wǎng)格等效應(yīng)力 圖 14 最大承受應(yīng)力 輪轂圍繞主軸旋轉(zhuǎn)，因此由于在跳車后著陸時的動態(tài)重量轉(zhuǎn)移，作用在主軸上的垂直力。因此，主軸具有維持動態(tài)狀態(tài)下所有力的能力。根據(jù)這種情況，決定使用 1 材料做主軸。 當?shù)厥袌龊苋菀撰@得，而且便宜。有限元分析的邊界條件如圖 15所示。主軸 147630節(jié)點和 101000個元素的嚙合生成后。 圖 15 邊界條件 圖 16 網(wǎng)格模型 圖 17正常應(yīng)力 圖 18 等效應(yīng)力 22 5 結(jié)果與討論 從現(xiàn)有和改進的轉(zhuǎn)向節(jié)的分析可以看出，改進設(shè)計中的應(yīng)力是非常大的變化，但是最大應(yīng)力的位置也是相同的。 在現(xiàn)有設(shè)計中，觀察到上，下球接頭樞轉(zhuǎn)時的最大應(yīng)力。 現(xiàn)有設(shè)計樞軸附近發(fā)生的最大應(yīng)力為 改進的設(shè)計是完整的一個轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向，不需要用于螺栓連接的孔，因為它具有單獨的布置。 因此 ，對于相同的邊界條件，應(yīng)力位置已經(jīng)改變，并且觀察到在安裝轉(zhuǎn)向時最大。 現(xiàn)有和改進的設(shè)計領(lǐng)域的完整有限元分析結(jié)果如表 2所示。 表 2 轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元分析壓縮的現(xiàn)狀和改進后的結(jié)果 參數(shù) 單位 現(xiàn)有設(shè)計 改良設(shè)計 框架 軸 位移 力值 大主應(yīng)力 全系數(shù) - 點 - 181775 196446 147630 元素 - 120120 127590 101000 23 6 總結(jié) 轉(zhuǎn)向節(jié)的現(xiàn)有設(shè)計適用于 015賽車，成功實現(xiàn)了承重要求。轉(zhuǎn)向臂和制動鉗的外部布置在動態(tài)條件下失敗。研究的最終目標是設(shè)計和生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)，其能夠承受動態(tài)和輕量級的負載。發(fā)現(xiàn)鋁 6061于良好的物理和機械性能以及輕質(zhì)。通過有限元分析分析，轉(zhuǎn)向節(jié)的模型低于應(yīng)力值，并且在施加的載荷下的偏轉(zhuǎn)非常小。進一步考慮好的應(yīng)力結(jié)果進行分析的模型。因此，為了進一步修改 016賽車的地形車輛，現(xiàn)在的轉(zhuǎn)向節(jié)必須用改進的轉(zhuǎn)向節(jié)替代，以提高其強度，減少關(guān)節(jié)失效。