IJE TRANSACTIONS B: Applications Vol. 30, No. 11 (November 2017) 1620-1627    Article in Press

PDF URL: http://www.ije.ir/Vol30/No11/B/34.pdf  
downloaded Downloaded: 0   viewed Viewed: 38

K. Reza Kashyzadeh, G. H. Farrahi, M. Shariyat and M.T. Ahmadian
( Received: August 12, 2017 – Accepted: September 08, 2017 )

Abstract    Steering Knuckle is a basic part of vehicle which joins suspension and steering system, wheel and brake to the chassis. It experiences several loads subjected to different conditions, for example, multi-axial loads and vibration. Hence, the knowledge of its dynamics and vibrational behavior is very important. Several materials are used to produce steering knuckle, for example, SG Iron, white and grey cast iron. However, nowadays there is a tendency to use aluminum alloy by automakers. Material replacement which results in weight reduction and using advanced materials are highly preferable. One suggestion is the use of Metal Matrix Composite which has higher strength to weight ratio and better performance than a metal. The main aim of this research is to determine the best material for manufacturing of steering knuckle in order to reduce the weight by applying aluminum alloy and Metal Matrix Composite. To achieve this purpose, the Modal test has been performed to study vibrational behavior of steering knuckle. CAD Model has been prepared by using coordinate measuring machine (CMM). Finally, the finite element analysis has been performed to evaluate natural frequencies and mode shapes of knuckle. The obtained FEM results have been compared with experimental data to validate the simulation. Three groups of materials (iron, aluminum alloy and metal matrix composite with different fiber volume ratio) have been investigated to determine the best material for manufacturing. DIN 1.7035, unreinforced alumina and MMC-Al 15% Ti-C have been reported as the best materials in each groups. MMC materials has higher vibrational rigidity and by using it, about 63.65 percent weight reduction is possible. FEM results for different models including CMM and smooth model have been compared with test data. The CMM model is closer to reality and it contains all details such as barcode, data and surface defects. It is obvious that meshing of smooth surface is easier than CMM model, but some details will be ignored which could affect the results. However, it has been shown that use of CMM model creates about 5.21% errors related to test data in comparison of 2.58% when the smooth model is used.


Keywords    Steering knuckle, Modal test, Finite Element Analysis, CMM model, Natural frequency, Weight reduction


چکیده    سگدست یکی از اجزای حساس در خودرو است که سیستم تعلیق، سیستم فرمان و چرخ را به شاسی متصل می­کند. این قطعه متناسب با شرایط مختلف تحت بارهای متفاوتی مانند بارهای چند محوره و ارتعاشات قرار می­گیرد. بنابراین، دانستن رفتار دینامیکی و ارتعاشی آن بسیار حائز اهمیت است. به منظور تولید سگدست از مواد مختلفی مانند چدن ریخته­گری، چدن سفید و خاکستری استفاده می­شود. اگر چه امروزه خودروسازان تمایل به استفاده از آلومینیوم دارند. روش جایگزینی مواد و استفاده از مواد پیشرفته که منجر به کاهش وزن قطعات شود، بسیار مورد توجه است. یکی از پیشنهادات، استفاده از مواد کامپوزیتی زمینه فلزی است که دارای نسبت استحکام به وزن و عملکرد بهتری نسبت به فلز است. هدف اصلی از این پژوهش، تعیین بهترین ماده برای تولید سگدست خودرو به منظور کاهش وزن آن با بکارگیری آلیاژ آلومینیوم و کامپوزیت زمینه فلزی است. به منظور دستیابی به این هدف، آزمایش مودال برای بررسی رفتار ارتعاشی سگدست انجام شده است. مدل هندسی با استفاده از دستگاه اندازه­گیری سه بعدی CMM آماده شده است. سپس، تحلیل المان محدود به منظور استخراج فرکانس­های طبیعی سگدست و شکل مودهای متناطر با آن­ها انجام شده است. به منظور اعتبارسنجی شبیه­سازی، نتایج المان محدود با داده­های تجربی مقایسه شدند. سه گروه از مواد (آهن، آلیاژ آلومینیوم و کامپوزیت زمینه فلزی با درصد حجمی الیاف متفاوت) به منظور تعیین بهترین ماده برای ساخت سگدست مورد بررسی قرار گرفتند. فولاد DIN 1.7035، آلومینیوم تقویت نشده و کامپوزیت زمینه آلومینیومی با درصد حجمی 15% الیاف کاربید تیتانیوم به عنوان بهترین مواد در هر گروه گزارش شدند. کامپوزیت زمینه فلزی دارای صلبیت ارتعاشی بیشتری است و با بکارگیری آن، امکان 63.65% کاهش وزن وجود دارد. نتایج المان محدود بدست آمده برای مدل­های مختلف CMM و smooth با داده­های تجربی مقایسه شدند. مدل CMM به واقعیت نزدیک­تر بوده و شامل تمام جزئیات اعم از شماره بارکد حک شده و عیوب سطحی در قطعه است. مشخص است که مش­بندی سطوح هموار به مراتب راحت­تر از مدل CMM است. اما، برخی جزئیات در آن نادیده گرفته می­شود که ممکن است در نتایج اثرگذار باشند. با این وجود، نشان داده شد که استفاده از مدل CMM منجر به خطای 5.21% و استفاده از مدل smooth منجر به خطای 2.58% در نتایج المان محدود در مقایسه با داده­های تجربی می­گردند.

References      [1] R. Vivekananda, A. V. Mythra Varun, “Finite element analysis and optimization of the design of steering knuckle”, International Journal of Engineering Research, Vol. 4, Issue. 1, 2016, pp. 121-135 [2] P. Dumbre, A. K. Mishra, V. S. Aher, S. S. Kulkarni, “Structural analysis of steering knuckle for weight reduction”, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Vol. 4, Issue. 6, 2014, pp. 552-557 [3] V. Sivananth, S. Vijayarangan, R. Aswathaman, “Fatigue and impact analysis of automotive steering knuckle under operating load cases”, The 11 edition of Altair Technology Conference Series, Bengaluru, India, 14-15 July 2015 [4] M. P. Sharma, D. S. Mevawala, H. Joshi, D. A. Patel, “Static Analysis of steering knuckle and its shape optimization”, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 2014, pp. 34-38 [5] P. M. Chavan, M. M. M. Patnaik, “Performance evaluation of passenger car tie rod using numerical and theoretical approach with different materials”, International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 3, Issue. 8, 2014, pp. 92-100 [6] M. A. Patil, D. S. Chavan, M. V. Kavade, U. S. Ghorpade, “FEA of tie rod of steering system of car”, International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management, Vol. 2, Issue. 5, 2013, pp. 222-227 [7] K. S. Bhokare, G. M. Kakandikar, S. S. Kulkarni, “predicting the fatigue of steering knuckle arm of a sport utility vehicle while deploying analytical techniques using CAE”, International Journal of Scientific Research and Management Studies, Vol. 1, Issue. 11, 2015, pp. 372-381 [8] P. P. Tagade, A. R. Sahu, H. C. Kutarmare, “Optimization and finite element analysis of steering knuckle”, International Conference on Quality Up-gradation in Engineering & Science and Technology, (ICQEST-2015), International Journal of Computer Applications, Proceedings, 2015, pp. 17-21 [9] E. A. Azrulhisham, Y. M. Asri, A. W. Dzuraidah, N. M. Nik Abdullah, A. Shahrum, C. H. Che Hassan, “Evaluation of fatigue life reliability of steering knuckle using pearson parametric distribution model”, International Journal of Quality, Statistics and Reliability, Hindawi Publishing Corporation, Vol. 2010,  2010, pp. 1-8 [10] M. L. Shelar, H. P. Khairnar, “Design analysis and optimization of steering knuckle using numerical methods and design of experiments”, International Journal of Engineering Development and Research, Vol. 2, Issue. 3, 2014, pp. 2958-2967 [11] B. Babu, M. Prabhu, P. Dharmaraj, R. Sampath, “Stress analysis on steering knuckle of the automobile steering system”, International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol. 3, Issue. 3, 2014, pp. 363-366 [12] V. R. Kulkarni, A. G. Tambe, “Optimization and finite element analysis of steering knuckle”, The Annual edition of Altair Technology Conference Series, Pune, India, 18-19 July 2013 [13] N. V. M. Bishop, “Finite element based fatigue analysis”, Americas User Conference for MSC. Software, Costa Mesa, California, 4-6 October 2011 [14] F. Pingqing, Z. Bo, H. Q. Long, “The analysis on destruction forms of steering knuckle”, The 3nd International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, Shanghai, China, 6-7 Jan 2011 [15] G. K. Triantafyllidis, A. Antonopoulos, “Fracture characteristics of fatigue failure of a vehicle’s ductile iron steering knuckle”, J Fail. Anal. And Prevent, Vol. 9, Issue. 4, 2009, pp. 323-328 [16] Key to Steel, Stahlschlussle 2013, Book [17] A. Crawford, “The Simplified Handbook of Vibration Analysis”, Book, Vol. 1, 1992, ISBN-13: 978-9994616855 [18] R. Eshleman, J. N. Eshleman, “Basic machinery vibrations: An introduction to machine testing, analysis, and monitoring”, VIPress, 10, 1999 [19] Mobius Institute, “Vibration Analyst Category 2 - Course Notes”, 2013 [20] N. M. M. Maia, J. M. M. E. Silva, “Theoretical and Experimental Modal Analysis”, Book, Research Studies Press; New York, Wiley, 1997

Download PDF 

International Journal of Engineering
E-mail: office@ije.ir
Web Site: http://www.ije.ir