公路減速帶對轎車下擺臂疲勞壽命影響研究

摘 要:分析了轎車通過減速帶時下擺臂受力，結合有限元靜力分析結果利用疲勞強度理論中的名義應力法對下擺臂疲勞壽命進行了計算和分析，所得結論可用于優化減速帶設計，使減速帶達到提示并促使駕駛員降低車速，并提出了建議以提高設計壽命的準確性。

關鍵詞:汽車工程 疲勞壽命 名義應力法 下擺臂 減速帶

中圖分類號：文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2011）12（b）-0112-01

減速帶在社區、公路等限速地帶得到廣泛應用。其控速的基本原理是在行車道上設置某種突起設施，當汽車以較高車速通過時會產生激烈的機械振動，這種振動從輪胎輸入經由車身及座椅傳遞給汽車駕駛員，使其產生不舒服感覺，從而提示并促使車輛駕駛員自覺、主動地降低車速。由于減速帶的高度相對于路面不平度要大的多，而且寬度又比較窄，因此當車輛以較高的速度經過時懸架系統受到的力較大，對其疲勞壽命造成較大的影響。例如，近年，某省一家長運公司購買的幾十輛用于城鄉公交運行的客車，就有多輛由于頻繁的通過減速帶最終導致縱梁出現縱向裂紋;還有，某城市由于有較多鐵路橫穿公路，致使運行于該城市的出租汽車長期承受突出路面的鋼軌的激振，進而導致某型出租汽車批量出現前車架裂紋。因此深入研究減速帶對汽車零部件疲勞壽命的影響很有必要。本文針對某型轎車，深入研究四種常用減速帶對其麥弗遜懸架下擺臂疲勞壽命的影響。

1 下擺臂的有限元分析

本文研究的轎車采用麥弗遜獨立懸架，其垂向載荷主要由彈簧、減振器傳至車身，縱向載荷主要由下擺臂承擔，下擺臂、彈簧與減振器各承擔一部分側向載荷。盡管下擺臂承受一部分側向力，但是通過理論計算與試驗分析可得同樣大小的側向力和縱向力使下擺臂產生的應變，前者比后者小的多，而且通常情況下承擔側向力比縱向力要小的多，因此本文只考慮縱向力的作用。

1.1 有限元建模

下擺臂的幾何模型在CATIA環境里生成，然后由ANSYS讀入并采用八節點六面體單元劃分網格，單元總數為21060個，節點總數為32670個，有限元模型如圖1所示。

1.2 下擺臂模態分析及準靜態方法使用條件

通過模態分析可以得到結構的固有頻率和模態振型等模態參數。本文進行模態分析的目的是為了獲得下擺臂的固有頻率，用于比較下擺臂基頻與所受載荷頻率之間的關系，進而判斷是否可用準靜態法獲得應力歷程。使用準靜態法必須滿足兩個條件:一是，對于一定載荷結構應力與應變之間存在著線性變化關系，與時間和加載路徑無關，各彈性常數不隨應力或應變的大小而改變;二是，要求激勵載荷的頻率遠在所分析結構的最低固有頻率之下，否則載荷可能會激起結構共振，應力、應變與載荷成線性的關系將不再成立。但是汽車零部件所受載荷一般都為隨機載荷，頻率分布較廣，因此若幅值較大載荷的最高頻率遠小于結構的最低固有頻率，并同時滿足第一個條件，則可使用準靜態法進行研究。研究表明下擺臂各點應力遠小于屈服應力(在后續的計算過程中可以清楚看到這一點)，即下擺臂在工作過程中一直處于彈性區域，應力與應變成線性關系，因此滿足準靜態法的第一個基本條件;另外，由振動理論可知，有約束的結構彈性振動固有頻率大于其自由狀態的彈性振動固有頻率，因此若對下擺臂施加真實的約束，其第一階固有頻率必大于198Hz。載荷的主要頻率成分分布在0~50Hz，遠小于198Hz，因此滿足準靜態法的第二個基本條件。因此對于該下擺臂可以使用準靜態方法進行研究。同時，系統的響應——應力、應變與載荷成線性關系。

1.3 疲勞分析

工程中常用的疲勞壽命估算方法有兩類:一類是在疲勞設計中根據S-N曲線，應用線性疲勞累積損傷理論進行壽命估算，這種方法稱為名義應力法，得到的是總壽命;另一類是用局部應力-應變法估算裂紋形成壽命，用斷裂力學估算裂紋擴展壽命，兩者之和為總壽命。前一種方法適合于高周疲勞，后一種方法適合于低周疲勞。目前已提出的疲勞累積損傷法則主要有:非線性累積損傷法則、線性累積損傷法則和雙線性累積損傷法則。非線性累積損傷法則考慮了加載順序，但需反復迭代，工作復雜;線性累積損傷法則未考慮加載順序的影響，給出的結果不如前者更準確，但由于計算過程簡單，因此在工程中還是得到了廣泛應用，尤其是在產品設計初期的方案比較階段。

根據實測獲得的有限元靜力分析結果和經過計算得到的載荷，獲得各點的應力時間歷程，調用MSC.FATIGUE疲勞分析軟件材料庫里的MANTEN-MSN材料，采用S-N方法和線性疲勞累積損傷法則，用MSC.FATIGUE軟件進行壽命估算。

1.4 減速帶對下擺臂設計壽命的影響

減速帶對設計壽命的影響與設計壽命、減速帶分布密度以及車速密切相關。在此以梯形減速帶為例，使用線性疲勞累積損傷理論進行研究，分析對下擺臂設計壽命的影響程度。假設汽車以某一固定車速通過減速帶，若連續通過個減速帶后，下擺臂發生疲勞破壞，則根據線性疲勞累積損傷理論可得每個減速帶造成的損傷為;若設計壽命為千米，同理得每千米造成的損傷為。假設減速帶的分布密度為個/千米，可得考慮減速帶影響，研究減速帶分布密度、設計壽命、車速對下擺臂疲勞壽命的影響，在一定的情況下減速帶對下擺臂設計壽命的影響較大，且該影響隨著減速帶分布密度的增大、設計壽命的延長和車速的提高而增大。盡管在實際中一般不會出現連續不斷地通過減速帶的情形，但通過本文的這樣假設可以使我們清楚看到減速帶對結構疲勞壽命的影響，因此本文研究依然具有重要意義。

2 結語

通過本文的研究可以得出，對簧載質量加速度起主要作用的是減速帶高度，其形狀和寬度影響相對較小，減速帶越高，簧載質量加速度越大;形狀、高度和寬度對下擺臂疲勞壽命都有一定的影響，其中形狀的影響最大，其次是高度，最后是寬度。減速帶截面越順滑、高度越小、寬度越大，則疲勞壽命越長。此結論可用來優化減速帶設計，使減速帶在達到提醒并促使駕駛員降低車速的同時，盡量對下擺臂的疲勞壽命產生較小的影響。通過分析以不同車速經過同一減速帶時簧載質量加速度和下擺臂疲勞壽命的變化可知，下擺臂的疲勞壽命隨車速的增加很快減小，成指數關系。駕駛員只有以較低的速度通過減速帶，才能既延長下擺臂的疲勞壽命，又不嚴重影響乘坐舒適性。另外，鑒于減速帶對下擺臂的疲勞壽命有明顯影響，因此建議汽車零部件設計者在進行設計時應根據汽車的使用環境適當考慮實際路面的減速帶對設計壽命產生的影響。

參考文獻

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