汽車轉向節疲勞壽命分析和試驗研究

楊蒼祿 ，朱傳敏 ，劉 素 ，滕 飛

(1．同濟大學機械與能源工程學院，上海200120;2．上海特蘭斯美遜儀器儀表有限公司，上海200030)

0 引 言

汽車轉向節是汽車轉向橋上的主要零件之一。在汽車行駛狀態下，轉向節承受著多變的沖擊載荷，其疲勞損傷問題日益突出，疲勞破壞是汽車轉向節在實際工作中主要存在的問題［1］。國內外大量文獻研究了轉向節強度失效的原因，通過對失效件開展化學分析及金相檢查等，認為轉向節強度失效的主要原因是疲勞斷裂。因此，對轉向節強度的研究從滿足靜強度要求向滿足疲勞強度等方向發展［2］。通過對國內外研究現狀的總結分析，發現對汽車轉向節的研究很多都是利用計算機分析技術以及結合相關的經驗方法開展的理論研究，對研究理論的實驗驗證相對缺乏，對這一問題可以基于實際條件開展汽車轉向節的實驗研究，對研究理論和經驗方法的可行性進行驗證，完善汽車轉向節設計開發過程中理論結合實踐的技術路線，這對轉向節疲勞損傷問題的研究有較大的幫助。

本研究通過建立某車型汽車轉向節構件的有限元模型，針對不同工況開展靜強度分析，應用有限元方法對設計模型進行疲勞分析，并完成疲勞耐久性試驗。以驗證有限元分析方法進行汽車轉向節疲勞分析的可行性。

1 汽車轉向節結構分析與建模

汽車轉向節是連接汽車轉向系統和懸架系統的關鍵零件，在汽車底盤所處的位置和特定的功能使轉向節的結構形狀比較復雜，集中了軸、套、盤環、叉架等4類零件的結構特點，是一個復雜的空間受力件，對其結構進行有限元分析的重要性和代表性尤其突出［3］。

分析中應用的有限元模型是運用HyperMesh(version 11．0)生成的，模型節點數為201430，單元數為175498。轉向節模型如圖1 所示。

圖1 汽車轉向節的有限元模型

該轉向節選用的材料是A356-T6 鋁合金。其材料屬性如表1 所示。

表1 A356-T6 鋁合金材料屬性

2 汽車轉向節工況分析

在汽車行駛狀態下，轉向節承受著包括負載、約束及路面傳遞的沖擊等交變載荷，受力情況復雜［4］。本研究選擇緊急制動工況、轉向側滑工況，以及控制臂加載進行分析［5］。

前向緊急制動產生的垂直載荷:

前向緊急制動產生的徑向載荷:

反向緊急制動產生的垂直載荷:

反向緊急制動產生的徑向載荷:

緊急轉向的內側載荷:

緊急轉向的外側載荷:

緊急轉向的垂直載荷:

控制臂拉桿試驗載荷:

表2 參數定義

整車相關參數如表3 所示。經過計算得汽車轉向節輸入載荷如表4 所示。換算后得到不同狀況下的最大Von Mises 應力值［6-7］如表5 所示。同時根據各工況的載荷要求在模型的對應部位加載作用力，并執行有限元求解命令，得到相應的應力云圖［8］，以控制臂加載為例，應力云圖如圖2 所示。

通過對比材料的強度極限，最大應力值都在材料的承受范圍內。

表3 整車主要技術參數

表4 轉向節輸入載荷

表5 不同狀況下的最大Von Mises 應力值

圖2 轉向節控制臂加載應力云圖

3 汽車轉向節疲勞分析

為了考察汽車轉向節的耐久性，本研究利用有限元方法對汽車轉向節緊急制動、轉向側滑和控制臂加載3 種待試驗狀態進行疲勞分析，分析結果如表6 所示。

表6 轉向節疲勞分析結果

汽車轉向節疲勞分析云圖如圖(3～5)所示。

圖3 緊急制動疲勞分析云圖

4 汽車轉向節疲勞試驗

為了驗證汽車轉向節有限元疲勞分析的結果，本研究進行了汽車轉向節疲勞試驗。

圖4 轉向側滑疲勞分析云圖

圖5 控制臂疲勞分析云圖

4．1 汽車轉向節疲勞試驗裝置

針對選取車型的制動部件設計制造了疲勞試驗裝置，實驗圖如圖(6～8)所示。名稱為制動角耐久試驗臺，主要包括零件夾持部分、加載部分和測試部分，試驗軟件是MTS Flex Test。

圖6 DCT-02 疲勞試驗裝置

圖7 DCT-04 疲勞試驗裝置

圖8 DCT-07 疲勞試驗裝置

4．2 汽車轉向節疲勞試驗

汽車轉向節在試驗臺上安裝要牢固可靠，各連接和加載部位不得出現松動。疲勞試驗全部完成后，轉向節樣件還需經過100%的X 光射線探傷檢測及磁粉探傷檢測，具體探傷檢測方法按JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》標準執行［9］。由于該試驗是結論驗證試驗，并非為了得到準確的S-N 曲線，下面各工況的試驗試件數量選取10 件［10-11］。

4．2．1 緊急制動疲勞試驗

緊急制動疲勞試驗如圖6 所示。可以測定轉向節在重復緊急制動載荷作用下的疲勞性能［12］。

(1)試驗要求:按照表4 的載荷數據和施加方向，以三次前向制動，一次反向制動作為一個循環，頻率采用3 Hz。轉向節必須滿足所有試件通過5 000 次循環(5 000 次前向制動和1 668 次后向制動)后，沒有裂紋出現。

(2)試驗結果:所有轉向節試件經過5 000 次循環后未出現裂紋。

4．2．2 轉向側滑疲勞試驗

轉向側滑疲勞試驗如圖7 所示?？梢詼y定轉向節在重復轉向側滑載荷作用下的疲勞性能。

(1)試驗要求:按照表4 的載荷數據和施加方向，采用載荷比1∶1，頻率3 Hz。轉向節必須滿足所有試件通過5 000 次循環后，沒有裂紋出現。

(2)試驗結果:所有轉向節試件經過5 000 次循環后未出現裂紋。

4．2．3 控制臂疲勞試驗

控制臂疲勞試驗如圖8 所示?？梢詼y定控制臂的疲勞性能。

(1)試驗要求:按照表4 的載荷數據和施加方向，采用載荷比1∶1，頻率10 Hz。轉向節必須滿足所有試件通過300 萬次循環后，沒有裂紋出現。

(2)試驗結果:所有轉向節試件經過300 萬次循環后未出現裂紋。

5 結束語

本研究通過對汽車轉向節設計模型進行有限元疲勞分析，得到相對可靠的零部件預測壽命，利用疲勞試驗裝置完成了疲勞耐久性試驗，試驗結果驗證了有限元模型、靜強度分析以及疲勞壽命分析結果的準確性。

一系列完整的分析過程和試驗結果表明轉向節完全滿足設計要求，驗證了有限元分析方法進行汽車轉向節靜強度分析和疲勞分析的可行性，研究成果對汽車轉向節開發有指導意義。

［1］江迎春，陳無畏．基于ANSYS 的轎車轉向節疲勞壽命分析［J］．汽車科技，2008(3):32-36．

［2］袁 旦．汽車轉向節有限元分析與優化設計［D］． 杭州:浙江工業大學機械工程學院，2008．

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［5］馮美斌． 轉向節的強度和實驗［J］． 汽車科技，1994(5):16-18．

［6］郭彬彩．STEYR 轉向節建模與強度分析［J］．河南科學，2006(2):272-273．

［7］周英雄，王 勇，宋 燁．高速動車轉向架構架靜強度試驗和仿真研究［J］．機械，2014(7):7-11．

［8］楊保利，李 興，柴海澤．CAE 在汽車前轉向節設計中的應用［J］．科技與企業，2014(8):299．

［9］周 寧，李 磊． 轎車用轉向節試驗方法［J］． 汽車工程師，2011(8):44-46．

［10］陳建國，袁海兵．汽車轉向軸扭轉疲勞試驗臺開發［J］．機電工程技術，2013(12):11-13．

［11］楊曉東，雷宏剛．疲勞試驗研究的動態評述［J］．科學之友，2008(4):109-111．

［12］劉素紅． 基于SFEM 的汽車轉向節疲勞可靠性研究［D］．杭州:浙江工業大學機械工程學院，2010．