齿轮齿条式转向器齿条仿真分析

・７０・　科技论坛　齿轮齿条式转向器齿条仿真分析　郭洪军　葛晗　（１、沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳１１０１５９　２、沈阳金杯恒隆汽车转向系统有限公司，辽宁沈阳１１０１４１１　摘要：利用ＣＡＴＩＡ软件建立齿轮齿条式转向器的实体模型，通过对部件边界条件和约束条件的合理选择，尽可能真实的模拟转向　器实际使用工况。运用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ和ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件对转向器关键部件（齿条）进行静力学分析，分析结果表明：转向器的齿轮　轴与齿条啮合部位最大的应力为１１１７．７０６ＭＰ，小于齿条材料的最小抗拉强度１８００ＭＰａ，齿条的最大变形量为０．２８９ｍｍ，小于０．３５ｒａｍ以　内设计要求，齿条的应力和变形量均满足产品的技术要求。　关键词：齿轮齿条式转向器；建模；静力学分析；网格；接触；边界条件　汽车转向过程是驾驶员将转矩施加于方向盘，通过传动机构将转　矩作用于转向器，转向器将转矩进行放大，克服转向阻力矩，转动车轮　实现整车转向。　现汽车上主导应用循环球式转向器和齿轮齿条式转向器两种结构　产品，齿轮齿条式转向器具有占用空问小，操纵轻便，转向灵敏，传动效　率高，工作可靠等优势，是应用最为广泛的一种转向器。随着Ｃ—ＥＰＳ电　动转向的迅速发展，与Ｃ—ＥＰＳ相匹配的齿轮齿条式机械转向器更是得　到了前所未有的增长。齿轮齿条式机械转向器工作原理是通过旋转齿　轮轴，作用于与之相互啮合的齿条，使齿条作直线运动，并带动横拉杆　起运动，就可使转向轮转向［１１。　有限元分析在汽车产品上已得到广泛的应用，但由于转向器整体　结构的复杂陛，国内外仍不具备对转向系统直接进行有限元分析的能　力，而是通过转向器模型简化、理想边界条件约束手段处理后再行分　析。国内转向行业中有限元分析在产品中的应用还处于研究阶段，没有　真正对转向器产品设计起到指导作用。　齿条是齿轮齿条式转向器的核心零部件，实际工况下其齿部强度　和变形量是影响转向器性能及安全陛的关键因素，本文研究的目的在　于模拟齿轮齿条式机械转向器实际工作状态下的受力情况，通过有限　元软件的分析计算结果判定齿条齿部强度及变形量是否可以满足没计　要求。　齿条的基本参数：ｍｌ１＝１．９４，压力角仅＝２０ｏ，螺旋角１３＝ｌ１．５。，齿　顶高系数ｈａ＊＝１．１，齿全高ｈａ＝２．１３ｍｍ，直径　￣＝２４ｍｍ，全长　Ｌ＝５８４ｍｍ，硬度ＨＲＣ５５—６０。　以ＣＡＴＩＡ软件为平台建立转向器总成三维模型，利用Ｈｙｐｅｒｗｏｒｋｓ　和ＡＢＡＱＵＳ软件进行静力学分析计算。有限元仿真分析步骤如图１所　一示口。　１齿轮齿条式转向器模型的建立　所研究的齿轮齿条式机械转向器由壳体套筒总成、齿轮轴总成、齿　条、调整机构总成、衬套及拉杆总成等部件组成。依据产品图纸，在　ＣＡＴＩＡ软件中绘制零部件三维数模，通过零部件约束组装成转向器总　成数模。　齿轮齿条式转向器零部件的建模和装配。在ＣＡＴＩＡ软件中开　始——机械设汁——零件设计，建立齿轮齿条转向器的零部件，如图２　所示。　在装配设计模块中，通过施加约束将各个零部件装配起来。齿轮轴　与齿条之间角度约束２０￣；壳体套筒总成与齿条之间轴线相合约束；拉　杆总成轴线和齿条轴线按照实际整车安装角约束角度；其他接触部分　图１有限元仿真分析步骤　施加接触约束。全部约束后更新视图，如图３所示。　根据位移函数，由牵『生力学中给出的应变和位移关系，可计算出应　在保证转向器总成所受外力有效传递的条件下，对总成数模进行　简化处理，以减少运算的计算量，减少运算时间。（图４）　，监为：｛￡１：『Ｂ１｛６１　２齿轮齿条式转向器有限元分析　式中：［君］为应变矩阵；ｆ６１　为节点位移矢量；忙）为应变向量。那　有限元仿真前处理使用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ软件中的静力学分析，分析计　么　力为：｛（９－）＝【Ｄ】｛Ｅ｝：［Ｄ】【曰】｛　算使用ＡＢＡＱＵＳ软件，结构静力分析用于完成结构线性和非线性的静　式中：｛　｝为应力向量；［Ｄ］为弹性矩阵。　力分析和动态静力分析。　２．１文件导入。将建立好的ＣＡＴＰｒｏｄｕｃｔ三维模型导人ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ　静力分折方程为：ｆＦｌ：【　１　ｆ　１　软件，修理导人的几Ｉ伺膜型。　２．２设置材料属性。创建各个零部件的材料和属性，类型选择ＭＡ—　式中：【　］为刚度矩阵；｛　｝为节点位移矢量；ｆＦ｝为静力载荷向量。　ＡＬ，ｃａｒｄ　ｉｍａｇｅ选择ＡＢＡＱＵＳ　ＭＡＴＥＲＩＡＬ，编辑设定各材料的密　静力分析中不考虑随时间变化的载荷，忽略瞬陛力和阻尼。如果材　ＴＥＲＩ弹性模量、泊松比，并将材料赋予相应的属性，再将属性赋予相应的　料为线弹性，结构小变形，则［ＫＩ是常量，求解的是静力线陛问题；如果　度、各个零部件。　为变量，则求解的是静力非线性问题日。　２．３划分网格。当网格具有理想的形状时，计算结果才能更为准确、