转向垂臂是汽车转向传动机构的主要受力部件，其作用是把转向器输出的力和运动传给转向横拉杆，进而推动转向轮偏动。作为汽车的保全件，为保证结构安全，传统的转向垂臂在设计中设置高安全系数，这在一定程度上造成了结构冗余和材料浪费。现今随着节能减排的号召，汽车轻量化成为设计主流，而零部件的轻量化首当其冲［1］，在维持或提高其性能的基础上，考虑轻量化设计思路在转向垂臂优化设计中有十分重要的研究意义。为减轻转向垂臂的质量，之前的设计主要凭借设计人员的经验和主观设计来消减材料，陈明媚［2］通过对卡车的一桥转向垂臂进行结构和受力分析，通过改变垂臂的结构减少了垂臂质量同时提高了垂臂的强度；王建文［3］采用二阶固有频率为优化目标函数对转向系统进行优化，减轻了垂臂质量同时改善了转向怠速震动性能。拓扑优化技术成为近几年结构优化研究热点，把拓扑优化技术应用于转向垂臂的轻量化设计将对其设计工作有一定的指导意义。

2.3.2 稳定性试验 取“2.2.2”项下供试品溶液（编号：S19）适量，分别于室温下放置0、2、4、8、16、24 h时按“2.1”项下试验条件进样测定，以丹皮酚峰的保留时间和峰面积为参照，记录各共有峰的相对保留时间和相对峰面积。结果，29个共有峰相对保留时间的RSD为0.01%～0.32%（n＝6），相对峰面积的RSD为0.47%～4.65%（n＝6），表明供试品溶液在室温下放置24 h内基本稳定。

1 转向垂臂静力分析

研究对象是某双前桥商用车转向垂臂，所用材料为40Cr，屈服强度为785 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7.85×10-9t·mm-3。

1.1 转向垂臂的受力分析

转向垂臂通过支座安装在车架上，主要作用是力的传递、方向的改变和连接作用。由于垂臂在实际工作时受力情况比较复杂，工作时承受的力主要来自于助力油缸作用的锥孔和与横拉杆球头连接的锥孔，在分析中将整个垂臂看成一个刚体，采用RBE2刚体单元进行模拟，将转向垂臂上的连接销孔与连杆连接受力点（球销中心点）进行刚性元连接。当汽车的转向轴的内外轮胎转到最左端（转向轮胎左转35°）和最右端（转向轮胎右转44°）极限位置时，垂臂的受力最大［4］。

为方便计算载荷和加载方式，在设计中假设转向垂臂的运动是匀速绕转向销旋转的，即转向垂臂的加速度为0 m·s-2；在进行应力有限元分析和拓扑优化时，假设各工况为瞬态工况，整个转向机构受力平衡。故将转向主销固定，如图1所示，对转向主销孔中心点施加固定约束以消除模型旋转运动趋势，在助力油缸作用的锥孔和与横拉杆球头连接的锥孔中心点处施加载荷。助力油缸和横拉杆的作用力则依据汽车工程手册［5］中提供的经验公式计算，以原地转向状态来推算横拉杆作用于垂臂的力矩MP2，即

 

  

图1 模型约束与加载方式

在施加上述约束和载荷后运用求解器求解，得出转向垂臂静力分析位移与应力云图结果如图2所示：垂臂在其极限工况下最大变形为0.604mm,位置在与横拉杆球头连接的锥孔外侧；最大应力为129.52 MPa，最大应力部位为转向主销孔外侧。垂臂材料为40Cr，调质处理，其屈服极限为785 MPa。算得其安全系数为5.8，远大于材料的强度储备系数1.7～2.4，可见转向垂臂的初始设计方案满足设计要求，同时具有很大的减重空间。

拓扑优化在经过27步迭代计算后收敛，Xe作为单元密度阈值，决定了结构材料的除去量。经过多次调整，Xe值为0.2时优化结果符合设计。在HyperView中将单元密度阈值设置为0.2，得到如图4所示的可设计区域内最优化布局密度等值面图。

在HyperMesh中对转向垂臂的原始结构进行简化，为保证连接部位圆角处的网格质量消去圆角；根据静力分析结果将转动主销孔、两侧连接锥孔与中间连接臂分割为不同的层分别划分网格，网格单元以四面体网格为主，共有节点37 266个，单元209599个。取转动主销孔与连接锥孔为非可设计区域，中间连接臂为可设计区域，得到如图3所示的有限元分析模型设计域划分。

 

在材料属性、载荷约束条件不变情况下对垂臂进行拓扑优化：目标函数为质量最小；约束条件为应力极限小于500 MPa，零件指定约束点的合成位移小于0.604mm；优化变量为可设计区域每个单元的密度。

1.2 原转向垂臂的强度分析

使用UG软件对转向垂臂进行三维建模，在UG-NX有限元仿真模块下建立材料特征属性和组件集合，为了更准确地对其结构进行模拟，单元类型为三维实体单元，以四面体网格为主，网格划分单元共有节点34347个、单元174276个。

式中：ηT为梯形机构效率，取0.8；ηD为转向拉杆机构效率，取0.8；IT为转向梯形机构传动比；ID为转向拉杆机构传动比；MS为轮胎阻力矩，N·m。代入数据得：左轮左转时MP2为4 736.3 N·m，左轮右转时 MP2为4 901.2 N·m。

  

图2 原垂臂结构静力分析

2 转向垂臂的拓扑优化设计

1.1 转向垂臂的拓扑优化

平均颜色变化率（AWCD）反映了微生物的代谢活性，是土壤微生物群落利用单一碳源能力的一个重要指标，AWCD值的高低反映土壤微生物密度的高低，可代表土壤微生物活性的高低。计算不同植被恢复模式土壤AWCD平均值，并绘制AWCD值随培养时间的动态变化曲线（图1）。

式中：P为转向助力油缸的油压，MPa；D为助力油缸工作缸径，m；H1为接助力油缸的垂臂有效长度，m；代入数据得MS为5901.6N·m。

“现在这些玉器已经是一批避邪的法器了，而且，如若是奸邪祸主，这些法器还能溯本诛邪，不光保你生意兴隆，一家平安，还能让宵小之辈自食其果。”

助力油缸的输出力矩MS为

  

图3 有限元模型设计域划分

  

图4 垂臂的拓扑优化结果

2.2 二次设计及静力分析

转向垂臂是模锻生产，考虑其加工工艺特点，在UG中对优化结果的模型进行二次设计，得到新的模型结构如图5所示。在材料属性、加载方式以及约束条件不变情况下，对二次设计后的新结构进行静力分析，新结构静力分析位移与应力云图结果如图6所示：经优化设计后的垂臂最大变形为0.652mm，位置在与横拉杆球头连接的锥孔外侧；最大应力为125.67MPa，集中在转向主销孔周围。

实施营养配餐是改善高职院校学生营养状况的有效措施，针对高职院校学生的营养状况现状，我院主要从以下几个方面在推行营养配餐。

  

图5 二次设计后的垂臂模型

  

图6 优化后的垂臂静力分析

2.3 优化对比分析

优化前后的垂臂设计方案对比结果如表1所示，新结构的最大位移值和应力值变化不大，重量减轻了1.049 3 kg，优化比为13.02%。在保持原始设计强度、形变要求的前提下，轻量化设计效果明显。

 

表1 优化结果对比

  

结构模型原结构新结构质量/kg 8.062 0 7.012 7最大位移/mm 0.604 0.652最大应力/MPa 129.52 126.67

3 结论

使用HyperWorks和UG8.0在典型极限工况下对转向垂臂的结构进行拓扑优化，获得新的模型结构。对比新旧结构发现：在去除了部份材料的情况下，垂臂的刚度和强度并没有减小，验证了该优化结果的正确性。文中只是以典型工况下的静力载荷对垂臂进行拓扑优化，后续还需要进行实车实验来完全验证其准确性。

参考文献：

［1］欧阳帆.零部件轻量化是汽车轻量化的根本［J］.汽车与配件，2010（10）：24-27.

［2］陈明媚.某重型车底盘转向垂臂的结构受力分析［J］.信息系统工程，2016（5）：133-135.

［3］王建文.基于Hyperworks的转向系统优化设计［J］.重型汽车，2014（3）：19-21.

［4］江学东.客车转向垂臂的设计与校核［J］.客车技术与研究，2012，34（2）：35-36.

［5］日本自动车技术会.汽车工程手册5：底盘设计篇［M］.北京：北京理工大学出版社，2010：142-143.