第40卷第3期
2015年6月广西大学学报（自然科学版）Journal of Guangxi University （Nat Sci Ed ）Vol．40No．3June 2015收稿日期：2015-
03-27；修订日期：2015-05-05基金项目：国家科技支撑计划项目（2012BAF02B01）
通讯作者：张华（1964-），女，湖北武汉人，武汉科技大学教授，博士生导师；E-
maill ：zhanghua403@163．com 。doi ：10.13624/jki.issn.1001-7445.2015.0609
龚青山1，张华1，张天洪2，夏鹏3
（1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉430081；
双金属螺杆2.十堰戎马汽车特种传动有限公司，湖北十堰442002；
3.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰442002）
摘要：在一款越野车研发中，为了设计出满足强度要求的越野车转向节，提高其工作可靠性，应用CAXA 软件建立转向节的三维实体模型，通过对转向节进行受力分析，分别研究了转向节在三种典型危险工况（越过不平路面、紧急制动和侧滑）下的受力情况，利用Patran /Nastran 对转向节进行有限元分析，分析和研究了转向节在三种典型危险工况下的应力分布情况，根据分析结果对转向节进行结构改进，改善了其受力情况。结果表明：该转向节在轴与转向节体连接处、转向节轴阶梯过渡处存在应力集中，在侧滑工况下达最大值759MPa ，不满足强度要求，需对结构进行进一步的改进。通过将转向节体与轴联接处圆角半径由1mm 增大至3mm ，将转向节轴过渡处采用锥面过渡，得出通过过渡部分的改进可以减少应力集中，改进后转向节过渡处侧滑工况下最大应力降为657MPa ，强度提高了13.4%。研究结果为有效的提高转向节在工作时的强度提供了量化依据。 关键词：转向节；结构设计；有限元分析；强度
中图分类号：U463.4文献标识码：A 文章编号：1001-
7445（2015）03-0609-07Finite element analysis and structural optimization of
steering knuckle for off-road vehicles
GONG Qing-shan 1，ZHANG Hua 1，ZHANG Tian-hong 2，XIA Peng 3
（1.School of Machinery and Automation ，Wuhan University of Science and Technology ，Wuhan 430081，China ；
2.Shiyan Ｒongma Automobile Special Transmission Co.，Ltd ，Shiyan 442002，China ；
3.School of Mechanical Engineering ，Hubei University of Automotive Technology ，Shiyan 442002，China ）
Abstract ：In order to design a steering knuckle with enough strength and reliability for research and development of an off-road vehicle ，three-dimensional model of steering knuckle is established by CAXA．The forces of steering knuckle working under three typical dangerous conditions ，such as
uneven road ，emergency braking and side-
slip were studied．Finite element analysis of steering knuckle was carried out by Patran /Nastran ，and the stresses of steering knuckle under three typical dangerous conditions were analyzed and studied．The structure and stress condition of steering knuckle was improved．The research results showed that the stress concentration occurs in connec-tion with shaft and body of steering knuckle ，the maximum stress reached 759MPa in the siding
广西大学学报（自然科学版）第40卷
condition ，does not meet the strength requirements ，and the structure of steering knuckle need fur-ther improvement．It is concluded that the stress concentration can be reduced through the improve-ment of the transition section ，increasing the radius of the shaft and body connection to 3mm （origi-nal size is 1mm ），and using cone transition at the shaft transition．The maximum stress of the im-proved steering knuckle reduced to 657MPa in the siding condition ，and the strength of steering knuckle increased by 13.4%．The results provide a quantitative basis for improving the strength of steering knuckle．
Key words ：steering knuckle ；structural design ；finite element analysis ；strength
0引言
转向节是汽车上的重要零件，它与汽车的悬架、前轴、转向系相连接，它的主要功能是承载和转向，即支撑车体重量、传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩
［1］。转向节在使用过程如果出现断裂将引发严重的事故，转向节在越过不平路面、紧急制动、侧滑三种工况下出现断裂概率最大，也是典型的三种危险工况［2］，所以应用有限元法对设计产品进行有限元分析具有重要意义
［3-5］。国内研究者应用ANSYS 、Nastran 等软件对轿车、客车转向节进行有限元分析［6-9］，对半挂车转向节分析与优化［10］；国外研究者应
用有限元法对转向节进行静力分析
［11］和疲劳分析［12］，以及进行结构优化和轻量化研究［13-14］。当然，也有研究者对越野车动力学仿真
［15］和车架的有限元分析［16］，但专门针对越野车转向节有限元分析
的研究较少。本文是本课题组研究人员在与十堰戎马汽车特种传动有限公司进行一款越野车研发过程中所开展
的研究工作，针对所设计的越野车前轴转向节应用CAXA 建立三维模型，应用Patran 、
Nastran 对转向节在越过不平路面、紧急制动、侧滑三种工况下进行静力分析，通过对分析结果的判断，到薄弱环节并进行结构改进，为合理设计满足强度和性能要求的转向节提供理论依据。
1
车辆主要参数
图1
转向节三维模型Fig.13-D model of steering knuckle 车辆满载总质量为m =9000kg ，车轮轮距B =1940 mm ，前后轴轴距为L =3300mm ，满载时前轴静载荷为44536
N ，后轴静载荷为45463N ，车轮滚动半径r =525mm 。设计中为
了提高整车的安全性，计算时前轴载荷取G 1=45463N 。
2结构分析
所研究的转向节为一款四驱越野车前轴转向节，该转向
节上设有上、下控制臂安装孔以及轮边减速器传动轴孔，同
时转向节轴中心开有轮胎自充气孔等其他结构，该转向节在
制造中将转向节分为转向节体和支撑轴两部分分开锻造成
型，转向节体和转向节轴之间通过螺纹联接并焊接，焊后加
工，如图1所示。3受力分析
如图2所示，Ｒ为上下控制臂安装主销孔，O 为设计坐标原点，车轮半径为525mm ，在车辆行驶中
车轮受到与车轮行驶方向反向的纵向力F x ，
F x 方向垂直纸面向外，与转向节轴平行的侧向力F y ，与地016
第3期龚青山等：
越野车前轴转向节结构设计与有限元分析图2转向节受力分析图Fig.2Force analysis of steering knuckle 面对轮胎的反作用力F z ，方向垂直于地面
激光夜视仪［17-18］。车轮有一定厚度，受力分析时取车轮受力中心受力点进行分析，距原
点260mm 处，即转向节H －H 所在平面内，在不同工况下车
轮受到F x 、
F y 、F z 大小是不一样的。汽车行驶过程中将会在各种不同情况下工作，通常在如
下三种典型工况下转向节受到应力最大［7，17］：第一种工况
（越过不平路面）时，车轮受到地面脉冲力的冲击，即车轮受
F z 作用；第二种工况（紧急制动）时，前轮承受的制动力F x
和地面垂直反力F z 传递给转向节，使转向节承受集中力和
弯矩，但不承受扭矩；第三种工况（侧滑）时，产生最大侧向
力工况，
内侧车轮的地面垂直反力为零，整个前轴的地面垂向反力作用到外侧车轮上，此时无纵向力作用，车轮受F y 、
F z 。研究中将针对这三种工况进行力学分析，并根据分析
结果对所设计的转向节结构进行改进设计，最终设计出合格
的产品。
3.1
越过不平路面工况在冲击载荷作用，转向节受较大垂直载荷F z ，在该工况下［17-18］：
F z =k
G 1/2=68195N ，
宫灯制作式中：k 为动载荷系数，取值3；G 1为前轴静负荷。
3.2紧急制动工况
汽车紧急制动时，前轮承受的制动产生的地面垂直反力F z 和切向反力F x 传递给转向节，使转向节
承受集中力和弯矩，但不承受扭矩［17-18］。
地面垂直反力：F z =m 1G 1/2=38644N ，
式中：G 1为前轴静载荷；m 1为制动时对前桥的载荷转移系数，取值1.7。
制动力：F x =φ1F z =30915N ，
式中：φ1为轮胎与地面附着系数，取值0.8
。
图3
转向节的有限元网格图Fig.3Finite element model of steering knuckle
3.3最大侧向力（侧滑）工况
汽车在侧滑最危险的载荷工况下，内侧车轮的地面垂直反力为零，整个前轴的地面垂直反力都作用到外侧车轮上，外侧车轮的地面垂直反力等于前轴静负荷
［17-18］。
外侧车轮上最大地面垂直反力：F z =45463N ；
外侧车轮上的侧向力：F y =φ2F z =45463N ，
式中：φ2为轮胎与地面的侧向附着系数，取值1。4转向节有限元模型的建立
实体建模用CAD 软件CAXA2013建立，在
CAXA 中对模型进行简化处理，除去一些小的倒角。悬挂链
首先将文件转化为IGES 格式导入到MSC.Patran
中，然后选择Tet10单元进行自动网格划分，设定单
元网格的尺寸为10mm 。转向节的有限元网格如
图3所示［7-8］。1
声纳探鱼器16
广西大学学报（自然科学版）第40卷
转向节所选用的材料：45CrNiMoV （见表1）。
表1
45CrNiMoV 材料属性Tab.1
Material property of 45CrNiMoV 弹性模量E /（N ·mm －2）泊松比μ密度ρ/（g ·cm －3）屈服强度σs /MPa
2.1ˑ1050.37.85
1374安全系数取2，则许用应力［σ］=σs /2=687MPa 。
5转向节有限元分析
在转向节受力分析时，约束转向节主销孔（图2中Ｒ位置）两个内表面结点的X 、
Y 、Z 三个方向位移，
加载力加在车轮受力中心，图2所示距转向节设计坐标原点（O 点）260mm 处轴心节点上。在分析中，将转向节在H －H 处截断，在该截面中心建立节点P 与轴该截面圆周上节点用ＲB2（刚性连杆）建立多点MPC （多点约束），该节点作为为后续有限元分析载荷施加点（如图3所示），根据不同工况转向节受力中心节点添加相应的力，然后提交后处理Nastran 进行计算分析，得到的结果如下。
5.1越过不平路面工况
汽车在穿过不平路面时，在节点P 添加节点力（0，68195，0）转向节在轴颈根部出现最大应力，在节
点227384应力最大，最大应力σmax =603MPa ＜［σ］是安全的，应力分布云图及最大应力位置如图4所示
。
图4
越过不平路面工况下转向节应力分布图Fig.4Stress nephogram of steering knuckle under uneven road work condition
5.2紧急制动工况
紧急制动工况下，在P 处添加节点力（30915，38644，0）转向节最大应力出现在轴颈根部，在节点烧录ic
227226处应力最大，最大应力σmax =455MPa ＜［σ］，是安全的，应力分布云图及最大应力位置如图5所示。
216
第3期龚青山等：
越野车前轴转向节结构设计与有限元分析图5
转向节紧急制动工况下的最大主应力分布图Fig.5Stress nephogram of steering knuckle under emergent braking work condition
5.3侧滑工况
侧滑工况下，在P 处添加节点力（0，
45463，－45463）和力矩（23868075，0，0）转向节最大应力出现在过度轴肩根部，在节点187734处应力最大，最大应力σmax =759MPa ＞［σ］，此时转向节可能出现断
裂，是不安全的，应力分布云图及最大应力位置如图6所示
。
图6
转向节侧滑工况下的最大主应力分布图Fig.6Stress nephogram of steering knuckle under side-slip work condition 3
16
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