(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210997061.4 (22)申请日 2022.08.18 (71)申请人 豫北转向系统 （新乡） 有限公司 地址 453000 河南省新乡市高新区牧野大 道2398号 (72)发明人 李喜全　 (74)专利代理 机构 新乡市平 原智汇知识产权代 理事务所(普通 合伙) 41139 专利代理师 杨杰 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/15(2020.01) F16H 19/04(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种转向器壳体强度仿真方法 (57)摘要 本发明公开了一种转向器壳体强度仿真方 法， 具体涉及齿轮齿条啮合分解力技术领域， 包 括下列步骤： 首先对汽车内部构造零件转向器壳 体， 采用二阶单元进行网格有限元划分； 然后在 壳体与球轴承、 滚针轴承、 调整体接触面建立耦 合单元， 将耦 合单元上齿轮、 齿条、 上轴承及下轴 承涉及到的啮合力进行第一次分解处理； 本发明 采用两次分解力仿真法， 依据齿轮齿条工作原理 将齿轮齿条啮合力分解， 然后根据啮合点到上、 下轴承的距离将分力进行二次分解， 然后 在安装 座套及支撑套接触面采用分布耦合技术， 在安装 座套建立spring单元， 提高对转向器壳体强度仿 真校验的速度， 达到了精确仿真转向器壳体强度 的效果。 权利要求书2页 说明书6页 附图5页 CN 115455658 A 2022.12.09 CN 115455658 A 1.一种转向器壳体强度仿真方法， 其特 征在于： 包括下列步骤： S1、 首先对汽车内部构造零件转向器壳体， 采用二阶单 元进行网格有限元划分； S2、 然后在壳体与 球轴承、 滚针轴承、 调整体接触面建立耦合单元KINEMATICCOUPLING， 在安装座套(壳体与整车连接处)、 支撑套处建立分布耦合单元Distributing  Coupling， 将 耦合单元上齿轮、 齿条、 上轴承及下轴承涉及到的啮合力进行第一次分解处 理； S3、 在每个安装座套耦合处建立三个spring单元连接大地， 其中两个spring单元方向 为安装座套径向方向且相互垂直， 其中， 刚度大小为安装座套径向刚度的 第三个 spring单元方向为安装座套轴向方向， 其中， 刚度大小为 安装座套轴向刚度； S4、 根据啮合点到上、 下轴承的距离， 以及 拉杆组件工作时与齿条轴线的夹角关系将分 力进行二次分解处 理； S5、 最后通过仿真对转向器壳体的强度进行校验， 具体是在球轴承处施加分解的载荷 径向力Fr l、 圆周力Ft1、 轴向力Fa； 滚针轴承处施加分解的载荷径向力Fr2、 圆周力Ft2； 调整 体处施加分解的调整螺塞力F6、 调整体径向力F 7、 支撑套处施加径向力F8。 2.根据权利要求1所述的一种转向器壳体强度仿真方法， 其特征在于： 所述网格划分是 指把转换器壳体的结构模型分为若干个小单元， 作为有限元分析前 的处理步骤， 所述网格 划分的方法分为转换扩展法、 Delaunay三角形法、 覆盖 法及前沿法， 本实施例中采用转换扩 展法， 扩展成三维单元进行操作， 所述网格划分的步骤为先观察转向器壳体的CAD模型图， 然后进行模型交界线处理， 选择壳体的有限元划分采用二 阶单元， 最后选择网格密度及控 制划分的网格数量。 3.根据权利要求1所述的一种转向器壳体强度仿真方法， 其特征在于： 所述耦合单元 KINEMATIC  COUPLING是指运动学耦合， 用于刚体和柔体混合的换向器壳体进行有限元建 模， 通过分析安装座套与球轴承、 滚针轴承之 间的运动学耦合关系， 推导出单元强度相对于 壳体强度的转换矩阵。 4.根据权利要求1所述的一种转向器壳体强度仿真方法， 其特征在于： 所述啮合力是指 齿轮齿条进行啮合时的受力， 忽略指齿轮齿条在啮合时齿面间的摩擦力， 则啮合的齿轮之 间只作用有法向力Fn， 法向力的方向沿啮合线垂直作用在齿面上， 作用点化为集中力作用 于节点P处， 此时将法向力 Fn分解成相互重直的圆周力Ft、 径向力 Fr和轴向力 Fa， 进行第一 次力的分解， 法向力Fn作用于法面内， 与节圆柱切面的夹角为法面压力角α， 法面与端面的 夹角为分度螺旋角β， 分度螺旋角β引起轴向分力Fa＝Fttanβ， 所述圆周力Ft， 其中Ft1对主 动齿轮形成阻力矩， 与其运动方向相反， Ft2对从动齿轮形成驱动力矩， 与其运动方向相同； 所述径向力Fr对于外齿轮， 沿着径线指向转动中心， 对于内齿轮， 沿着径线背离转动中心； 所述轴向力Fa对于斜齿轮， 轴向力沿轴线 方向， 箭头指向工作齿面， 对于主动斜齿轮， Fa1可 用左右手螺旋定则， 根据主动轮轮齿的旋向， 左旋伸左手， 右旋伸右手， 握住轴线， 四指指向 主动轮的转动方向， 大拇指的指向即为主动轮轴向力Fa1的方向， 从动轮的Fa2与Fa1方向相 反。 5.根据权利要求1所述的一种转向器壳体强度仿真方法， 其特征在于： 力的一次分解， 首先采用力学公式， 圆周力的公式为 其中Ft随着半径变化而 变化； 径向力的权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115455658 A 2公式为 其中α n为法面压力角； 轴向力的公式为Fa＝Fttanβ， 其中β 为分度圆螺 旋角； 法向力的公式为 其中Fn为啮合点处啮合法向力， 然后根据齿轮传递 的功率， 计算出主动齿轮的转矩T＝9.55 ×106P/n， 代入公 式Ft＝2T1/d1计算出齿轮上的圆 周力分量， 最后再分别代入相应公 式计算径向力Fr、 轴向力Fa和法向力Fn， 此时计算过程为 齿轮啮合法向力Fn的一次分解。 6.根据权利要求4所述的一种转向器壳体强度仿真方法， 其特征在于： 力的二次分解， 结合转向器壳体上端装配球轴承， 下端装配无轴向约束的滚针轴承， 中部装配调整体， 首先 对第一次力的分解获得的径向力Fr、 圆周力Ft及法向力Fn进行再分解， 然后采用力学计算 公式， 上端轴承的径向力公式 其中Fr为第一次力分解的径向力； 上端轴承的 圆周力公式 其中Ft为第一次力分解的圆周力； 下端轴承的径向力公式 其中Fr为第一次力分解的径 向力； 下端轴承的圆周力公式 其中 Ft为第一次力分解的圆周力； 调整螺塞力的公式F6＝Fr， 其中Ft为第一 次力分解的圆周力； 调整体径向力的公式F7＝Fn×sinλ， 其中λ为齿条倾角， 最后代入公式计算分别获得上端轴 承承受的径向力Frl、 圆周力Ft1、 轴向力Fa； 下端轴承承受的径向力Fr2、 圆周力Ft2； 中部调 整体承受的调整螺塞力F6、 调整体径向力F7的值， 同时由于拉杆组件工作时与齿条轴线具 有夹角 ε， 并且齿条会收到拉杆组件的反作用力， 从而通过支撑套作用于壳体， 记支撑套径 向力为F8,带入支撑套径向力公式为F8＝Fn×cos( α )×cos( λ )×cos( ε )×sin( ε )， 其中Fn为 法向力。 7.根据权利 要求1所述的一种转向器 壳体强度仿真方法， 其特征在于： 所述spring单元 是一个轻量级控制反转和面向切面的框架， 在安装座套耦合处建立三个 spring单元连接大 地， 具有方便解耦、 简化测试的特点， spr ing单元利用数学模型两点式公式带入切面点进 行 计算， 先是通过在安装座套耦合处的连接点创建切点， 定义切面织入到spring管理中， 其 中， 织入是将切面应用到目标对象， 从而创建一个新的 的代理对象出来。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115455658 A 3