0 引言

转向节是汽车行驶系统中关键的安全机件.转向节连接车轮和悬架，主要承受车体前部多变的载荷，并作用于转向轮控制汽车行驶的方向.转向节的结构因特定功能及安装位置而设计复杂，并且具有较高的强度要求、安全要求以及轻量化要求[1].因此，利用CAE技术对其进行强度和疲劳分析以提高整车安全性和可靠性，是转向节设计开发中重要的技术路线.毛向阳[2]基于一种转向节实体建立了仿真模型，并导入Ansys进行强度和模态分析，对理论研究提供了实际设计经验.王延强[3]以有限元分析方法，研究转向节零部件的材料疲劳特性、平均应力在实际应用中的影响, Roberto d’ Ippolito[4]通过优化设计方法研究转向节可靠性,针对一种长杆类的转向节,基于有限元分析方法研究疲劳寿命.本文基于Ansys软件针对某纯电动城市客车转向节进行了不同危险工况下的强度计算，并利用动力学分析模块进行了模态分析，提出了改善转向节强度和避免共振的设计思路，对改善转向节应力集中有一定的实际应用价值.

另外，为预防和及时发现危险源控制措施的失效，泰州大桥公司将隐患排查划分为经常性隐患排查、定期隐患排查、季节性及节假日前后隐患排查、专项事故隐患排查4个层级，并从班组、基层单位、公司等不同层面开展隐患排查工作.

1 转向节有限元建模

转向节集合了轴、叉架、套、环等零部件的结构特点，一般有整体锻造、焊接和螺栓连接3种结构形式，形状比较复杂且连接较多部件.转向节包含有多个复杂曲面，在实际应用中难以建立有效的可行性验证.本文针对某纯电动城市客车汽车上使用的螺栓连接式转向节进行研究分析，采用Pro/Enginee建立几何模型，通过Pro/Engineer与Ansys Workbench软件之间建立的数据传递IGS接口将建立好的三维实体模型导入Ansys.通过检查导入后的Ansys模型与原模型一致，无结构信息丢失问题，导入模型可靠.

其实幼儿急疹、麻疹、手足口病、疱疹性咽峡炎、水痘等都属于病毒性感染，表现相似，有自限性，发烧，起疹子，疹子的部位（躯干、四肢、口腔）、形式（斑疹、丘疹或水疱疹）不大一样而已，治疗主要是对症治疗（退烧、补液等），几乎没有对付这些病毒的特效药，抗生素是千万不能用的。

对于分析对象纯电动城市客车转向节需要定义选用的材料，通过定义材料属性来确定包括弹性模量、泊松比、材料密度等参数[5].材料的类型和属性在对话框中设定，本文转向节选择材料40Cr，在材料手册中查找其弹性模量E=196 GPa,泊松比σ=0.275，密度ρ=7.83×103kg/m3,抗拉强度σb=980 MPa，屈服极限σs=785 MPa，许用应力[σ]=393 MPa.在软件的设定当中，40Cr属于塑性材料，在实际工程问题中进行强度分析计算时，材料的极限应力采用屈服极限[6].设定转向节材料后对模型边界处理，根据转向节与其它零部件的相互连接配合关系和工作状态对其添加约束.如图1所示为属性定义后的纯电动城市客车转向节模型.

  

图1 转向节三维模型

转向节可选用映射、扫略、混合网格划分以及自由网格划分中1种或几种方式相结合的方法划分单元格.单元格密度根据节形状、表面曲率及分析精度而有差异化的设定.本文设计主要采用了自由网格划分方法，针对转向节零件结构受力复杂变化较大，以及不同网格划分方法特点及转向节分析的适应性要求，在Ansys Workbench中应用三维四面体单元的平滑过度特性对转向节进行高精度自动划分，删除和简化一些影响结果较小的节点，以及对大轴径等关键部位进行网格细分.最终转向节网格划分为341 146个节点，178 388个单元.划分模型如图2所示.

2 转向节强度分析

表1为某纯电动城市客车计算所用参数.经过分析转向节主要承受来自于地面的支撑力、车辆行驶过程中复杂多变的冲击力以及车辆制动时的制动力矩，同时车辆转向时还要承受转向力和与其他零部件相互作用的力矩.这些载荷主要分为整车前部悬架质量产生的静载和车辆行驶中产生的动载.根据汽车设计手册及国家制定的实验标准，纯电动城市客车转向节的受力选择紧急制动工况，车辆转向时出现的侧滑工况和越过不平路面3种车辆行驶过程中常见且典型的危险工况计算分析.

大学生学业指导从学生角度出发，解决了大学生所面临的学业迷茫，更好地对大学生进行学业指导、学业引导。高校在提高教育质量和人才培养质量的过程中，学业指导目前还有很大的提升空间。本研究采取文献研究、问卷调查、深入访谈等研究方法，对我校学业指导现状进行分析，深入总结目前我校大学生学业指导存在的问题，提出切实可行的对策和建议。

  

图2 转向节网格模型

 

表1 某纯电动城市客车参数

  

参数符号单位数值满载质量Gkg10000前轴静载(满载)G1kg5900前轮轮距Bmm1805质心高度hmm1400滚动半径rmm576．5动载系数K2．5地面附着系数φ0．7侧滑附着系数φ1

2.1 紧急制动工况

紧急制动是纯电动城市客车运行过程中常见的工况，转向节在该工况中承受垂直静载和制动力.参照汽车设计计算手册和几何模型中坐标系坐标，设定汽车前向行驶方向为X方向，车轴方向为Y，垂直于地面方向为Z，则转向节大轴颈中心大孔处受到传递过来的垂直方向反力FZ1和纵向反力FX1.另外车轮轮毂安装于轴承，制动时附加转矩由制动地板固定凸耳承受，转向节轴颈不受转矩作用.图3为转向节的受力示意图，计算名义载荷为

FZ=5.9×1000×10=5.9×104 N，

(1)

此时转向节的受力如图4所示.

(2)

将建立的纯电动城市客车转向节模型导入Ansys Workbench，在以上3种工况下分别对其求解，得到不同工况下城市客车转向节的应力及应变结果.紧急制动工况下，应力最大点位于轴径根部处，如图6(a)所示.在侧滑工况和越过不平路面工况，最大应力点集中出现在转向节轴根部和轴承的过度处，如图6(b)(c)所示.3种工况下轴径根部最大应力分别为240、630、467 MPa,均小于材料的极限应力785 MPa，因此该转向节强度符合设计.根据实际运行过程中转向节损伤情况分析，车轮受冲击载荷对转向节的强度影响较大，并且，应力变化比模拟复杂多变，因此，在设计时采用适当的过渡圆角是必要的，可有效防止转向节发生开裂现象.

(3)

  

图3 紧急制动工况时转向节受力

2.2 侧滑工况(向左侧滑时)

此时转向节受力如图5所示.

 

(4)

 

(5)

M=FY1×r=1.7×107 N·mm.

FZ1=FY1=2.95×104 N，

(6)

学习效果评价指标内化于课程教学项目之中，通过项目实施过程、项目完成情况、期末考核等步骤实施评价，根据各部分比例加权给出总评成绩。由于学生的个体差异，能力侧重点不一，表格中的权重值可视情况进行调整。

其中,FY1作用于车辆前轮，等效至转向节轴颈时，附加FY1平移使转向节承受的力矩

式中，G1为前桥静载(G1=5.9×104 N)；φ为侧向滑移附着系数，一般取1.则有

(7)

FZ1=FZ/2=2.95×104 N，

  

图4 向左侧滑工况时转向节受力

2.3 越过不平路面工况

车辆行驶在不平路面时，来自地面的作用力传递至转向节，使其承受往复振动且带有冲击性的疲劳载荷，因此车辆运行于越过不平路面工况动载系数最大.此工况下，转向轮受到垂直方向作用力，以振动的形式上下运动产生冲击，在垂直载荷的作用下，转向节承受冲击载荷作用于转向节的力

FZ1=(k×G1)/2=7.375×104 N.

(8)

侧滑是车辆转向时出现的一种危险工况，在滑动过程中，左右两侧的转向轮上会出现大小不等的侧向力FY1、FY2，侧向力和垂直反作用力所产生的力矩方向不同，从而使左、右转向节轴颈处产生出现差别的弯矩.以向左侧滑为例，纯电动城市客车左转向节所承受的侧向力M1远大于右转向节.选择左转向节为研究对象，则有

  

图5 越过不平路面工况时转向节受力

2.4 转向节强度分析

FX1=φ×FZ1=2.06×104 N.

3 转向节模态分析

转向节的模态分析主要是在汽车振动分析领域研究结构动力特性的一种方法[7].当转向节承受动载荷时,可能会引发自身及连接部件的共振,出现动力不稳现象.所以对转向节在有限元模型的基础上通过模态分析,计算各阶频率和振动形式,避免共振现象导致转向节及连接部件出现剧烈损伤.

  

(a)紧急制动工况 (b) 向左侧滑工况 (c) 越过不平路面工况图6 转向节Mises应力云图

在对转向节结构进行模态分析时，忽略外部载荷的作用，采用相应简化后实际边界条件支撑，对上下球销添加约束.计算频段的选择根据实际条件略高于激振力的频带，支架模态的频段适当放宽，因此计算频段选择0～5 000 Hz.计算转向节前10阶固有频率值和模态特性如表2所示.

[3]Beijing-Washington cooperation on the Belt and Road initiative is highly likely to be the most significant basis for global peace in the 21st century.

 

表2 某纯电动城市客车转向节模态特性

  

模态阶号最大位移/mm最小位移/mm频率值/Hz10．74381．17E-002268．4720．89531．20E-002355．9830．60441．21E-002576．5240．87481．23E-002892．3650．62511．22E-002982．4160．63491．26E-0021000．8970．83411．19E-0021285．2080．85251．18E-0021354．7190．61021．20E-0021492．38100．63391．22E-0021705．00

从大量实测试验可知，车辆的激励主要来自于路面的反馈作用以及发动机工作时的振动，发动机的激励频率范围在10～30 Hz之间，车辆运行时整车模态激励频率在10～80 Hz之间，道路的激励频率一般小于5 Hz[8]，以上激励频率均小于转向节的一阶固有频率，转向节振动结构稳定性较好，一般不会在车辆运行过程中发生共振，另外测定了转向节前10阶振型具有的不同固有频率，在设计过程中有助于避免发生共振，提高转向节的刚度.

学生课业负担重，除了课堂压力之外，作业是最严重的负担体现形式。现在许多小学生完成作业的时间是在九点以后，而20年前，小学生一般九点半就会进入睡眠。学生作业和考试的压力增加，有的学生周一至周五下了课还有课外班，上完课外班再去完成作业。因此，教师在作业布置方面应当精心研究，合理设计，严格控制学生作业数量，增加动手、动脑的作业，提升学生的探究能力，使作业少而精。

4 结语

本文通过Pro/E软件建立了某纯电动城市客车转向节实体模型，并利用Ansys有限元分析软件分析了设计的纯电动城市客车转向节在3种不同的危险工况下，应力集中以及受迫振动时的响应情况.经过分析计算，设计的转向节应力满足条件要求，但发现冲击载荷对转向节的疲劳影响较大，提出了转向节的改进意见.通过对转向节模态分析,其频率远大于发生共振的模态频率，整体结构稳定性良好.从实际应用来看，将有限元方法和软件用于零部件设计，模态分析和碰撞分析等领域，可有效减少设计周期，提高汽车CAE设计的整体效率.

参考文献：

[1] 袁旦.汽车转向节有限元分析与优化设计[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2010.

[2] 毛向阳.斯太尔转向节有限元分析与制造工业研究[D] .济南:山东大学, 2007.

[3] 王延强. 转向节与转向臂疲劳强度研究[D].南京:江苏大学,2007.

[4] Roberto d’ Ippolito,M.Hack,S.Donders,etc.Improvng the fatigue life of a vehicle knuckle with a reliability-based desgn optimization approach [J].Jourbal of Statistical Plannng and Inference,2009(139):1619-1632.

[5] 柳威,师忠秀,于渊,等. 基于Workbench的FSAE赛车转向节有限元分析[[J].青岛理工大学学报,2012,29(4):88-92.

[6] 马宇,王红卫,蔚林林. 重载汽车转向节臂的强度分析及结构优化[J].机械研究与应用,2014,27(3):68-72.

[7] 彭为,靳晓雄,左曙光.基于有限元分析的轿车后桥疲劳寿命预测[J].汽车工程,2004,26(4):507-509.

[8] 张林波,柳杨,黄鹏程,等.有限元疲劳分析法在汽车工程中的应用[J].计算机辅助工程,2006(15):195-198.