車輛控制臂疲勞損傷分析與壽命預(yù)測(cè)探討

楊精剛

摘 要：近年來(lái)，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人民生活水平顯著提升，車輛利用率逐年攀升，其重要性不容忽視。控制臂作為汽車懸掛系統(tǒng)的傳力及導(dǎo)向元件，在整個(gè)車輛系統(tǒng)占據(jù)著關(guān)鍵的應(yīng)用地位，其所具有的性能特性直接影響著汽車懸掛系統(tǒng)的綜合性能，針對(duì)車輛構(gòu)件由于疲勞問(wèn)題產(chǎn)生過(guò)早失效破壞，造成失效概率大幅度增加的問(wèn)題，為起到良好的預(yù)防作用，使得車輛疲勞耐久性能得以優(yōu)化提升，則需針對(duì)車輛控制臂疲勞損傷分析及壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

關(guān)鍵詞：車輛；控制臂；疲勞損傷；壽命預(yù)測(cè)

前言

通常而言，控制臂同時(shí)又可被稱作是擺臂，其在車輛懸掛系統(tǒng)占據(jù)著重要的地位，可謂是此系統(tǒng)中關(guān)鍵的安全功能構(gòu)件，懸掛系統(tǒng)所具備的相應(yīng)性能會(huì)受到控制臂質(zhì)量的直接影響，進(jìn)而使得整個(gè)車輛的操縱穩(wěn)定性及行駛平穩(wěn)性遭受一定影響，為此需控制優(yōu)化控制臂構(gòu)件，采用有限元方法針對(duì)車輛控制臂展開(kāi)疲勞損傷分析及壽命預(yù)測(cè)。

1 車輛控制臂疲勞損傷分析與壽命預(yù)測(cè)

1.1 建立有限元模型

在車輛日常運(yùn)行過(guò)程中，控制臂的作用主要為起到良好的承載作用，可謂是路面激勵(lì)通過(guò)車輪傳向車身的關(guān)鍵承載構(gòu)件，通常而言，車輛控制臂所面臨最為急迫嚴(yán)峻的問(wèn)題為疲勞損壞，為更好地實(shí)現(xiàn)后續(xù)分析工作，則需構(gòu)建相應(yīng)的車輛三維模型，如圖1所示，在副車架位置控制臂兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)合理鉸接，其中，一端球跟轉(zhuǎn)向節(jié)低端進(jìn)行連接，該處主要承受的是來(lái)自于軸頭位置處的車輪側(cè)、縱向力，與此同時(shí)，側(cè)向力及縱向力基于相同平面。

1.2 確定構(gòu)件損傷關(guān)鍵點(diǎn)

在該項(xiàng)工作實(shí)施中，為將車輛控制臂相應(yīng)的荷載測(cè)試點(diǎn)位置及時(shí)確定下來(lái)，則需有效運(yùn)用有限元分析軟件，針對(duì)所構(gòu)建的車輛控制臂三維模型展開(kāi)合理的網(wǎng)格劃分，結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，基于副車架連接點(diǎn)位置進(jìn)行約束的有效添加，該處擁有圍繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，基于軸頭連接位置處能夠分別按照側(cè)向以及縱向完成荷載的有效添加，在此需要注意的是側(cè)向即指Y向，縱向即指X向，具體而言，側(cè)向需結(jié)合急轉(zhuǎn)彎狀況實(shí)現(xiàn)荷載添加，縱向則能夠根據(jù)制動(dòng)狀況完成添加荷載，而后實(shí)施合理的有限元分析工作，上圖為車輛控制臂添加荷載之后的應(yīng)力分布簡(jiǎn)圖，分析可知，在車輛控制臂的第32867個(gè)節(jié)點(diǎn)位置處其對(duì)應(yīng)的最大側(cè)向荷載應(yīng)力為302MPa，在車輛控制臂的第26401節(jié)點(diǎn)位置處其對(duì)應(yīng)的最大縱向荷載應(yīng)力是294MPa，也就是說(shuō)分別是在轉(zhuǎn)向節(jié)連接過(guò)渡位置及副車架后點(diǎn)連接過(guò)渡位置。

1.3 測(cè)試

在車輛實(shí)際運(yùn)行進(jìn)程當(dāng)中，針對(duì)其控制臂構(gòu)件所承受的荷載實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確獲取，結(jié)合相應(yīng)的有限分析結(jié)果，能夠?qū)y(cè)點(diǎn)和相應(yīng)的貼片布置方案及時(shí)確定下來(lái)，運(yùn)用電阻應(yīng)變計(jì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試，電阻應(yīng)變計(jì)的電阻是350歐姆，進(jìn)行具體布置的時(shí)候需沿著受力方向?qū)嵤?duì)稱布置。參考相應(yīng)車輛耐久性試驗(yàn)測(cè)試規(guī)范，結(jié)合具體的車輛疲勞荷載譜獲取目的，能夠選擇交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)綜合路況實(shí)施相應(yīng)的荷載測(cè)試工作，測(cè)試軟件為模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的精度小于等于百分之一，相應(yīng)的采樣頻率能夠到達(dá)100kHz，為使所得試驗(yàn)結(jié)果擁有較高的科學(xué)可信程度，并將試驗(yàn)過(guò)程中所存在的主觀因素直接影響直接消除，為此需實(shí)施六次重復(fù)試驗(yàn)，同時(shí)沒(méi)進(jìn)行兩次便需完成一名駕駛?cè)藛T的更換。

在具體的測(cè)試實(shí)施過(guò)程中，第一，首先需要完成的工作室配備試驗(yàn)車輛，選擇測(cè)試道路，擇取合適的車輛駕駛?cè)藛T，具體來(lái)說(shuō)，所選車輛的相應(yīng)信息為額定荷載質(zhì)量是1686千克，次車輛前軸及后軸能夠滿足52比48的比例需求，車輛輪胎對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓是230千帕，選擇交通部公路試驗(yàn)場(chǎng)作為是試驗(yàn)道路，擇取試車場(chǎng)駕駛員作為是試驗(yàn)車輛駕駛?cè)藛T；第二，有效合理的相應(yīng)的儀器設(shè)備，進(jìn)行應(yīng)變片的有效粘帖，將各類型傳感器設(shè)施認(rèn)真安裝好，并實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的有效接入，將各個(gè)通道線組及時(shí)消除，進(jìn)行通道名稱及通道數(shù)量等相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，采樣頻率能夠設(shè)置為五百赫茲；第三，實(shí)施有效的預(yù)測(cè)試分析工作，具體來(lái)說(shuō)，需擇取相對(duì)較為典型的路程狀況，針對(duì)多個(gè)小段信號(hào)實(shí)施采集工作，就信號(hào)的合理性及相應(yīng)的完好程度展開(kāi)優(yōu)化觀察；第四，針對(duì)道路相關(guān)的荷載情況實(shí)施合理測(cè)試，結(jié)合規(guī)定給出的路段及車速，需進(jìn)行六次荷載信號(hào)測(cè)試，完成每次測(cè)試之后需針對(duì)具體的設(shè)備情況和數(shù)據(jù)信息實(shí)施及時(shí)合理的檢測(cè)，由于此次測(cè)試僅僅針對(duì)的是車輛控制臂疲勞損傷問(wèn)題，為此只針對(duì)控制臂對(duì)應(yīng)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)通道信號(hào)展開(kāi)合理化分析。

如圖4所示，在P1測(cè)試點(diǎn)，在石塊路乙路況下，車輛控制臂擁有最大的應(yīng)變均值，然而在石塊路丙路況下，車輛控制臂對(duì)應(yīng)的應(yīng)變均值相對(duì)較大，所有的最大應(yīng)變均值出現(xiàn)于石塊路乙路況中；在P2測(cè)試點(diǎn)中，相較于P1測(cè)試點(diǎn)而言，其相應(yīng)的應(yīng)變均值相對(duì)較小，在扭曲路以及長(zhǎng)波路段、石塊路乙中會(huì)體現(xiàn)最大均值應(yīng)用。

1.4 分析處理信號(hào)

通常而言，汽車試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際路況環(huán)境相對(duì)較為惡劣，運(yùn)行工況有著很強(qiáng)的綜合性，導(dǎo)致形成的荷載狀態(tài)擁有較強(qiáng)的隨機(jī)性特征。然而，就每個(gè)試驗(yàn)綜合路況而言，其所形成荷載存在有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。對(duì)于車輛控制臂所產(chǎn)生的荷載測(cè)試信號(hào)，能夠運(yùn)用副值門限方法將異常峰值情況及時(shí)去除，實(shí)施功率譜分析措施。分析可得，車輛控制臂跟車輪一側(cè)連接點(diǎn)的對(duì)應(yīng)能量通常集中于四十赫茲之內(nèi)，對(duì)應(yīng)的共振頻率是十四赫茲；車輛控制臂跟副車架連接點(diǎn)位置處的能量通常集中于十五赫茲，主頻為2.1荷載，能夠充分滿足相應(yīng)的車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率范圍要求。結(jié)合具體的功率譜密度實(shí)施有效分析，在實(shí)際的測(cè)試進(jìn)程當(dāng)中，車輛控制臂荷載測(cè)試的輸出信號(hào)是低電平信號(hào)，與此同時(shí)，仍然存在有由于噪聲干擾以及電壓干擾等導(dǎo)致的不良信號(hào)，為此需采取相關(guān)有效措施進(jìn)行優(yōu)化處理，運(yùn)用低通濾波手段能夠針對(duì)所產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)實(shí)施濾波處理，對(duì)應(yīng)頻率分別設(shè)置為十五赫茲及四十赫茲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛控制臂荷載測(cè)試信號(hào)的有效處理。

1.5 疲勞損傷分析及壽命預(yù)測(cè)

運(yùn)用疲勞分析軟件，結(jié)合相應(yīng)的疲勞缺口系數(shù)，基于理論方式，能夠進(jìn)行車輛控制臂疲勞損傷及壽命預(yù)測(cè)程序的合理編制，經(jīng)過(guò)一系列的合理計(jì)算，進(jìn)而獲得車輛控制臂的疲勞損傷分布情況。具體來(lái)說(shuō)，如上圖所示，P1測(cè)試點(diǎn)存在有相對(duì)較為嚴(yán)重的總體損傷情況，且通常是在石塊位置出發(fā)生較大損傷問(wèn)題，在試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)中石塊路中存在有較多彎道情況，此處跟P1點(diǎn)受側(cè)向力的工況有著較大一致性；P2測(cè)試點(diǎn)在扭曲路段及長(zhǎng)波路段存在有相對(duì)較為集中其較大的損傷情況，尤其是在石塊路段，該測(cè)點(diǎn)位置的損傷會(huì)突然加大，然而改點(diǎn)的小損傷值相對(duì)較為普遍一些。損傷值突然加大跟試驗(yàn)路段石塊路彎道處加減速工況是有著直接必然聯(lián)系，也就是說(shuō)引起車輛控制臂縱向受力發(fā)生變化。分析可知，P1點(diǎn)壽命相較于P2點(diǎn)而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)較大，主要原因在于P1點(diǎn)直接與車輛轉(zhuǎn)向節(jié)相連而受到的路面載荷狀況相符。根據(jù)測(cè)點(diǎn)損傷壽命計(jì)算結(jié)果可以指導(dǎo)P1點(diǎn)擁有最短壽命，即為3.96 萬(wàn)h，其能夠代表車輛控制臂結(jié)構(gòu)件的整體壽命。

2 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于車輛而言，控制臂構(gòu)件占據(jù)著關(guān)鍵的應(yīng)用地位，為針對(duì)其疲勞耐久性展開(kāi)較為深入的研究，則需有效地實(shí)施疲勞損傷及壽命預(yù)測(cè)分析工作。基于有限元分析手段，能夠?qū)④囕v控制臂疲勞損傷位置較為準(zhǔn)確合理地確定下來(lái)，使得相應(yīng)的荷載測(cè)試工作能夠擁有可靠的測(cè)點(diǎn)位置，即為車輛控制臂跟副車架及軸頭的連接的過(guò)渡位置處，提及車輛控制臂荷載測(cè)試相應(yīng)的信號(hào)處理分析進(jìn)程，將其低通濾波頻率分別確定為四十赫茲及十五赫茲，通過(guò)一系列有效分析之后能夠指導(dǎo)荷載信號(hào)頻率能量在十五赫茲較為集中，且所得結(jié)果能夠滿足車體結(jié)構(gòu)頻率范圍要求；運(yùn)用局部應(yīng)力應(yīng)變法與疲勞積累損傷準(zhǔn)則，有效地集中修正控制臂疲勞缺口應(yīng)力，認(rèn)真實(shí)現(xiàn)車輛控制臂疲勞損傷分析及壽命預(yù)測(cè)工工作，可知試驗(yàn)車輛的控制臂疲勞損傷壽命是3.96萬(wàn)小時(shí)，相較于試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的實(shí)際道路狀況而言，其損傷分布的符合程度較高。該項(xiàng)分析能夠?yàn)檐囕v構(gòu)件耐久性研究提供良好基礎(chǔ)，盡可能避免車輛控制臂發(fā)生過(guò)早失效情況。

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