0 引言

汽车转向器是汽车最重要的安全件之一，现代汽车上主要使用循环球式转向器和齿轮齿条式转向器两种结构产品[1]。

齿轮齿条式机械转向器由小齿轮、齿条、转向器壳体、转向横拉杆等结构件组成，每一个零件的设计都要以整个系统的安全为出发点进行整体的考量[2]。在汽车行驶过程中，横拉杆的力在齿条径向会产生一定的分力，使齿条产生弯曲。当载荷超过一定程度时，齿条的弯曲可能会产生塑性变形，当齿条塑性变形超过一定量以后，齿轮齿条无法正常啮合，导致整个转向器不能正常工作，所以在转向器设计阶段就要考虑齿条在工作过程中的弯曲强度问题。在整车设计时，转向横拉杆除了正常地实现转向作用之外，还有另外一个作用，就是转向横拉杆要在齿条发生塑性变形前发生屈曲，从而起到保护转向器的作用。转向横拉杆直接与齿条相连，这就要求齿条在工作时的承载能力大于拉杆的最大屈曲力[3]。

一种新的分析方法的建立需要我们通过实验来验证对比，本文就是通过对已有项目进行分析和实验对比，修正模型参数，获得理想的分析方式，为新项目的开发分析提供依据。

(1) 微扰动注浆整治对盾构隧道治理效果为：注浆区间中部朝着注浆位置反方向水平位移，两端向注浆位置方向水平移动；注浆引起隧道沉降，且呈明显的注浆区间中部沉降大，两端沉降小；隧道形状逐渐由压扁状向撑圆状变化，水平收敛近似等同于竖直收敛，且受隧道所处的周围土压力影响，竖直收敛量略大于水平向收敛量。

1 转向器核心部件的有限元分析

1.1 模型简化及有限元模型创建

齿条是转向器的核心零部件，齿条的CAE分析中必须要考虑周边零部件与齿条之间力的传递关系:①齿轮与齿条是相互啮合的，是转向机中最重要的一个力的传递路径，齿轮与齿条的啮合是分析中首先要考虑的问题，约束位置和约束关系的差异对结果都有着很大的影响；②压块是用来保证齿条的啮合过程不分离的一个重要部件，对分析有重要影响；③在齿条受力弯曲较大时，齿条的部分区域会碰到转向器壳体，壳体的支撑也会改变齿条的弯曲形式和齿条受力分布。

如图1所示，这是一个合资车型的转向器，我们以此为案例进行齿条弯曲分析研究。

  

图1 转向器模型

这里我们研究齿条左侧伸出90%时的情况，该转向器行程为73 mm,90%行程为65.7 mm。左侧拉杆水平和垂直方向的拉杆角分别为7.56°和0.82°(拉杆与齿条在整车坐标系水平和垂直平面上投影的角度分别叫水平和垂直拉杆角，正负原则为拉杆的朝向前正后负，上正下负)。考虑到齿条可能会在壳体断面位置与壳体接触，我们将转向器壳体部分简化成一个简单的圆环体，圆环的内径及位置都与转向器壳体端面相同。

将简化后的数模导入到CAE前处理软件中，然后进行精细的网格划分，可以得到各个零部件的网格模型，如图2所示。

  

图2 网格模型

将这些网格模型按设定位置进行装配和整理得到这次分析的整体模型，如图3所示。

齿条的材料比较复杂，在加工齿条时成型以后需要对整个齿条进行调质处理来增加刚度及塑性，而齿条的齿部区域与齿背区域都需要很高的硬度，要做表面淬火处理，所以齿条的材料定义需要分为两部分来处理。

然后教师再总结：压力是一种效果力，而重力是一种性质力，他们之间并没有本质的联系，所以压力可以由重力产生，也可以由其他力产生。这样学生就不会将它们混在一起了。

1.2 材料定义

接收机的矩形系数实际就是考核中频输出滤波器的矩形系数，矩形系数是指描述了滤波器在截止频率附近响应曲线变化的陡峭程度[16]，根据实际的工程需要一般指40 dB、50 dB甚至60 dB与3 dB带宽的比值，是表征滤波器选择性好坏的一个参量。接收机的矩形系数的好坏对后端AD采样与信号处理有着重大意义。

从最高压力点开始到燃料基本燃烧完为止称为补燃期。这一阶段的燃烧主要是明显燃烧期火焰前锋扫过的区域，部分未燃尽的燃料继续燃烧；吸附在缸壁上的混合层继续燃烧，部分H2、O2、CO等高温分解产物，因在膨胀过程中温度下降又重新燃烧、放热。混合汽的燃烧过程如图1所示。

  

图3 转向器的整体有限元模型

将设置好的有限元模型提交到解算器，计算后可以得到这个齿条弯曲分析的结果，如图6所示。齿条伸出部分发生了较大变形，环状壳体部分与齿条发生了接触。

  

图4 材料分布

 

表1 材料参数

  

弹性模量GPa泊松比屈服强度MPa抗拉强度MPa齿条硬化区2100.31 5002 000非硬化区2100.3600870齿轮2100.31 5002 000压块2100.3300360壳体750.35140240

1.3 约束定义

齿部应力云图如图7所示，齿条已经有大部分区域的应力水平超过了淬火材料的抗拉强度。为了进一步研究齿条在整个变形过程中的受力情况，我们提取加载点的力和位移的曲线，如图8所示。

1.4 加载

因为实际整车上是通过内球头与齿条相连，实际的载荷中心在内球头的球心位置，所以我们通过刚性连接单元将球心位置与齿条端面的螺纹孔进行刚性连接，在球心位置创建一个局部坐标系对齿条进行加载，如图5所示。转向机的内球头在受力时是可以产生转动的，所以分析时加载位置的连接需要释放三个方向的旋转自由度，如果没有这些旋转自由度，会使分析结果与实际产生很大的差距。

  

图5 CAE整体模型约束方式

2 结果与讨论

如图4所示，将齿部和齿背相关淬火区域的网格单独赋予硬化后的材料，这部分材料的特性通过检测硬度的方式转换而来。非硬化区域的材料通过实验棒的拉伸实验得到较详细的数据，其他线弹性材料的特性参数通过手册查得，材料的参数如表1所示。

  

图6 分析结果

在齿条弯曲的分析中，将压块的0.1 mm间隙忽略，压块的位置进行全固定。在压块与壳体之间创建接触关系来约束齿条。在实际的弯曲试验过程中，小齿轮是被锁死的，所以我们分析也是将小齿轮完全固定。在小齿轮与齿条的啮合部分建立接触关系。齿条弯曲后可能会与端面壳体接触，壳体对齿条的支撑会使齿条的弯曲产生质的变化，所以在分析过程中要在齿条与壳体之间创建一个接触关系。根据图纸标注可知，壳体内表面与齿条之间有1.5 mm间隙。

  

图7 齿部应力云图

为了进一步验证齿条是否在此区域与壳体接触，我们将分析的模型进行一定的变动，删除壳体的环形支撑，这时齿条弯曲时就没有额外的支撑。我们将这两种分析的结果进行对比，如图12所示。

由图9可以看出，力的曲线在区域A部分开始由直线变成曲线，然后很快就进入拐点，刚度明显升高。我们读取区域A出现时的齿部应力和接触应力情况，如图10所示。由图10可知，区域A出现时，齿部接触应力分布比较均匀，符合齿轮齿条啮合的受力分布情况，齿根部区域因受力较大，有小区域应力水平已经超过了淬火区的屈服强度，这就是在A区域的时候力位移曲线开始出现屈服弯曲的主要原因。

  

图8 加载位置力—位移曲线 图9 区域A

  

图10 区域A出现时齿条应力云图

我们选取区域A拐点之后的位置读取齿条和环状壳体位置的接触应力云图(如图11所示)，此时齿条与环状壳体已经发生了接触。我们认为壳体与齿条接触的节点就出现在区域A那个拐点上，当齿条与壳体接触以后齿条弯曲悬臂梁明显长度减小，刚度明显提高，从而在结果中出现拐点。

将得到的数据进行一定的划线处理，齿条在分析过程中有两次比较大的拐点区域，即A和B区域。我们将A区域放大得到如图9所示结果。

  

图11 齿条和环状壳体位置的接触应力云图

  

图12 有、无环装壳体情况下齿条力—位移曲线

图12中，区域A处两条曲线发生分离，不带环状壳体的分析结果是一条平滑的曲线，没有出现拐点；带环状壳体的分析结果在此区域会出现拐点，进入一个新的直线刚度阶段。这样的对比分析进一步验证了这个拐点是由于齿条碰上壳体产生的。

严格控制城区范围内利用原有宅基地建设村民住宅。城市建成区范围内的现状建筑，原则上不得新建、改建、扩建。改建房屋只限于危房，因房屋安全或居住功能存在严重问题，且该建筑没有列入当年改造计划的，需持有房管部门的危房鉴定报告，经业主征得四邻及所在村委会或社区同意并报所在镇、街道办审批，办理建设工程规划许可证后可在原址、按原层数、原面积进行改建或修缮等。对于相关政府部门已出具征收规划条件的村庄和旧城区，近期将实施拆迁改造的，为了避免造成不必要的浪费，原则上不再许可改造申请，建议申请人采取维修加固方式妥善解决存在问题。

信息技术必将为幼儿教育带来新的途径与方法，具有积极的作用。灵活根据教学内容使用信息技术，必然能够给幼儿带来更好的学习体验，达到理想的效果。本文提出以下几项信息技术在农村幼儿园教学中的灵活应用措施。

3 实验验证

为了验证分析的准确性我们需要根据实际情况进行相关的实验。为了与分析结果进行对比更加精准，我们将壳体安装位置进行了刚性约束，小齿轮位置锁死，压块的锁紧螺母打到底部，以消除压块间隙的影响。台架实验如图13所示。

得到的台架实验数据如图14所示，在区域C也有明显的一个拐点存在。对比分析结果和实验结果的曲线的峰值可以看出，实验结果与分析结果有一定的差异，但力的差值在5%以内，我们认为这个实验结果能够证明分析结果是基本正确的。说明我们的分析参数的选择、约束的定义基本符合实际情况，得到的分析数据能够经得起验证。

  

图13 台架实验

  

图14 台架实验数据

4 应用

通过之前的分析和实验对比我们可以认为，本文的分析方法可以运用到新设计的项目中。在新项目设计阶段，我们无法通过实验来得到相关数据，所以CAE分析能够很好地完成这个替代工作。

参考文献：

[1] Li Yongxiang,Yang Lei,Wang Mingxu.Based on the finite element method for gear and rack research on contact fatigue strength of study[J].Advanced Materials Design and Mechanics,2012(9): 339-342.

[2] 庞晓深,汤文成.齿轮接触的有限元分析[J].机械制造与自动化,2007(6):38-40.

[3] 吴晓建.齿轮齿条式转向机构转向特性研究[D].重庆：重庆理工大学，2009:15-20.