轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析--開(kāi)題報(bào)告

1、杭州電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題目轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院專業(yè) 車輛工程姓名 吳志軍班級(jí) 車輛二班（07010512）學(xué)號(hào) 07010570指導(dǎo)教師 胡彥超一、本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)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(yùn)輸工具，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的標(biāo)志。同時(shí)也是 20世紀(jì)最顯著 的人文標(biāo)志之一。它改變了人們的生活方式、時(shí)空和價(jià)值觀念。為人類社會(huì)的物質(zhì)財(cái) 富和精神文明做出了巨大的貢獻(xiàn)。 汽車是產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、規(guī)模效益明顯、資金和技術(shù) 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(fèi)特征的全球化產(chǎn)業(yè)，也 是唯一的一種零件以萬(wàn)計(jì)、產(chǎn)量以白萬(wàn)計(jì)、保有量以億計(jì)

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(shù)密集、人才密集、綜合性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)， 使得世界各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀鯚o(wú)一例外地把汽車工業(yè)作國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車的研制、生產(chǎn)、銷售、運(yùn)營(yíng)，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多部門(mén)都息息相關(guān)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科 學(xué)技術(shù)發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的關(guān)鍵零件，它既支撐車體重量，乂傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎 車制動(dòng)力矩，因此對(duì)其機(jī)械性能和外形結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，是汽車上的重要安全零件之一。 轉(zhuǎn)向節(jié)包括轉(zhuǎn)向節(jié)軸和轉(zhuǎn)向節(jié)臂。 轉(zhuǎn)向節(jié)一般采用鍛造毛坯件，經(jīng)機(jī)械加工成為一個(gè) 復(fù)雜的空間受力件。轉(zhuǎn)向節(jié)圓錐軸上裝有一對(duì)單列圓錐滾子軸承， 使轉(zhuǎn)向節(jié)與前輪轂、 前輪制動(dòng)

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(zhuǎn)向節(jié)承受來(lái)自 地面的支承力、滾動(dòng)阻力和制動(dòng)力。其上端球銷通過(guò)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(zhuǎn)向節(jié)沿x、y方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，使其僅能沿z方向移動(dòng) 和旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂上有兩個(gè)球頭銷分別與轉(zhuǎn)向縱拉桿、 橫拉桿相連以保證左 右兩輪同步轉(zhuǎn)向。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)向節(jié)承受著車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較大的負(fù)荷。（二）轉(zhuǎn)向節(jié)國(guó)內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀由于汽車轉(zhuǎn)向節(jié)使用的重要性和形狀的特殊性，國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分 析予以高度的重視，對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，取得了一定的研究成果。在國(guó)內(nèi)，北京機(jī)電研究所、吉林工業(yè)大學(xué)、機(jī)械工業(yè)部第四設(shè)計(jì)院、中國(guó)重汽公 司、

4、山東光岳轉(zhuǎn)向節(jié)總廠、安慶白協(xié)鍛造廠等單位對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了比較深入研究。鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院的韓國(guó)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(fù)荷和彈性模量。河南師范學(xué)院的馮彬彩建立了斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)的實(shí)體 模型，并對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的受力依照緊急制動(dòng)工況、側(cè)滑工況和越過(guò)不平路面工況等三種危 險(xiǎn)工況進(jìn)行強(qiáng)度分析。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院的張紅旗等實(shí)用ANSYS客車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了受力分析。天津大學(xué)武一民等利用 NSRAN PARTAN農(nóng)用車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié) 構(gòu)進(jìn)行了有限元計(jì)算，并對(duì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)應(yīng)力分布的影響進(jìn)行了計(jì)算.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的蔡智健等通過(guò)有限元建立某轎車轉(zhuǎn)向節(jié)模型。機(jī)械加工方面，佳木斯煤礦

5、機(jī)械廠的張風(fēng)巖等對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的機(jī)械加工進(jìn)行了有效的研究，極大提高了生產(chǎn)效率。這些研究工作對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)是上世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新學(xué)科，它是將最優(yōu)化原理和計(jì)算技 術(shù)應(yīng)用丁設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為工程設(shè)計(jì)提供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。利用這種新的設(shè)計(jì)方 法，人們就可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的一個(gè)重要領(lǐng)域，它己廣泛應(yīng)用丁各個(gè)工業(yè)部門(mén)。人們?cè)谧鲆磺泄ぷ鲿r(shí)，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(wèn)題。最優(yōu)化技術(shù)是研究和解決最優(yōu)化問(wèn)題的一門(mén)學(xué)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(guó)開(kāi)始從事這方面的研究與應(yīng)用比較晚。 雖然在機(jī)械設(shè)計(jì)中采用最優(yōu)化技術(shù)的 歷史很短，但其進(jìn)展的速度卻是十分驚人的。無(wú)論在機(jī)構(gòu)綜合、通用機(jī)械零部件設(shè)計(jì)， 還是在各種專業(yè)機(jī)械和工藝裝備的設(shè)計(jì)都由丁采用了最優(yōu)化技術(shù)而取得了顯著成果。 我國(guó)汽車工業(yè)不斷引進(jìn)和采用新技術(shù)，特別是汽車 CAD CAE CAMM體化的進(jìn)步，這 為我國(guó)汽車工業(yè)獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了良好的條件。（三）選題的依據(jù)和意義轉(zhuǎn)向節(jié)是車輛轉(zhuǎn)向系的重要部件之一，運(yùn)行工況比較復(fù)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(zhuǎn)向節(jié)的使用壽命應(yīng)達(dá)到 5萬(wàn)小時(shí)以上。轉(zhuǎn)向節(jié)承受轉(zhuǎn)向輪的負(fù)載，以及路面?zhèn)鬟f來(lái)的沖擊力，同時(shí)

7、還傳遞來(lái) 自轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向力實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行使方向的控制。因此，在強(qiáng)度，抗沖擊性、疲勞強(qiáng)度 以及可靠性方面都有很高的要求，基丁此，對(duì)丁其研究具有極其重大的意義。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題：對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的受力情況，按三種危險(xiǎn)工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，即：緊急制動(dòng)工況、側(cè) 滑工況（向左側(cè)滑對(duì)）和越過(guò)不平路面工況。應(yīng)用ANSY軟件建立轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型， 具體模擬、分析轉(zhuǎn)向節(jié)在三種典型工況情況下靜力學(xué)特性， 為轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造 提供可靠的理論依據(jù)。根據(jù)汽車行駛時(shí)車輪的受力狀況，對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)按照 3種危險(xiǎn)工況進(jìn)行計(jì)算 分析。即：緊急制動(dòng)工況、側(cè)滑工況、和越過(guò)不平路面 3種典型危險(xiǎn)工況。作用在轉(zhuǎn) 向節(jié)上

8、的力，有車重的地面垂直壓力 乙、制動(dòng)力匕和側(cè)向力Y1。（1）緊急制動(dòng)時(shí)，作用在前輪上的地面垂直反力 乙和最大制動(dòng)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(zhuǎn)向節(jié)指軸上作用點(diǎn)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(cè)滑時(shí)，作用在車輪上的力Z（節(jié)內(nèi)外的垂直壓力力分別用,Z12表示）和Y （節(jié)內(nèi)外的側(cè)向力分別用Yi, Y2表示），在左右轉(zhuǎn)向節(jié)上產(chǎn)生的力矩是不相同的。在內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)指軸根部：G2 ha 七M(jìn)11 =乙C 丫rr = 1（

9、1 一一）（C "）2 B在外側(cè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎對(duì)，外輪轉(zhuǎn)向節(jié)上的彎曲應(yīng)力較內(nèi)輪大。（3）道路不平'時(shí)，假定轉(zhuǎn)向節(jié)受到加倍的垂直負(fù)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(shí)，由丁車輪在垂直方向產(chǎn)生的振動(dòng)給轉(zhuǎn)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(dǎo)入ANSYS,依據(jù)不同工況的載荷求解，得到不同工況 下轉(zhuǎn)向節(jié)的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果。依據(jù)所得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析，再對(duì)設(shè)計(jì)好的

10、轉(zhuǎn)向節(jié)做 調(diào)整。三、研究步驟、方法及措施：1. 查閱相關(guān)資料，了解并熟悉研究程序2. 編寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述3. 確定設(shè)計(jì)方案，繪制機(jī)械圖紙4. 計(jì)算分析轉(zhuǎn)向節(jié)在三個(gè)典型危險(xiǎn)工況下的受力5. 運(yùn)用ANSYSt立轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型6. 具體模擬、分析轉(zhuǎn)向節(jié)在三種典型工況情況下靜力學(xué)特性7. 依據(jù)分析之后的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8. 完成對(duì)先前設(shè)計(jì)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(jìn)度：序號(hào)時(shí)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(nèi)容布置任務(wù)，確定題目，審題，查閱相關(guān)資料；確定畢業(yè)設(shè)計(jì)方案，完成開(kāi)題報(bào)告及文獻(xiàn)綜述開(kāi)題報(bào)告答辯完成對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制機(jī)械技能訓(xùn)練圖，完成外文資料翻譯建立轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型，繪制設(shè)計(jì)圖紙上交外文資料翻譯，接受中期檢查對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，并著手寫(xiě)畢業(yè)論文整理有關(guān)資料，完成并上交畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯五、主要參考文獻(xiàn)：1 .紀(jì)名剛 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)M.北京：高等教育出版社，20062 .劉鴻文.材料力學(xué)M.北京：高等教育出版社，19723 .陳家瑞.汽車構(gòu)造M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20064 .周開(kāi)勤.機(jī)械零件手冊(cè)M.北京：高等教育出版社，20005 .武活璽，陸曉敏.靜力學(xué)基礎(chǔ)M.南京：河海大學(xué)出版社，20016 .王世軍.有限元軟件ANSYS結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用M.西安：西安理工大學(xué)出版社.19997 .馮培恩，邱活盈，潘雙夏等.機(jī)械產(chǎn)品的廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)程研究J.中國(guó)科學(xué)(E).1999 , 29(4) : 338 3468 .馮大碧，王勇，楊曉明，唐昌發(fā).客車左前輪轉(zhuǎn)向