汽車轉(zhuǎn)向節(jié)耐久疲勞測試及失效解決方案

張華，于國林，徐艷玲

（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

概述

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋中的重要零件之一,它能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向[1]。在汽車行駛過程中不但承受汽車前部載荷和支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向，而且承受著多變的沖擊載荷[2]。結(jié)合目前使用較多的麥弗遜獨(dú)立前懸架，轉(zhuǎn)向節(jié)已經(jīng)沒有傳統(tǒng)的主銷來固定，連接結(jié)構(gòu)更多，形狀也更為復(fù)雜，承受的載荷也是多方面、復(fù)雜化的。沒有了主銷實(shí)體結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)向節(jié)與懸架結(jié)構(gòu)相互配合要形成一個(gè)相對穩(wěn)定的虛擬主銷結(jié)構(gòu)，保持一定的主銷后傾角、內(nèi)傾角以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向與回正，要求轉(zhuǎn)向節(jié)空間結(jié)構(gòu)要更加精準(zhǔn)[3]。

轉(zhuǎn)向節(jié)的重要性不但要求其具有較高的強(qiáng)度，而且疲勞壽命也要滿足設(shè)計(jì)要求，以保證在使用過程中不能發(fā)生斷裂。轉(zhuǎn)向節(jié)在工作時(shí)主要承受變化的彎曲疲勞載荷，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)屬于典型的高周疲勞范疇，使用時(shí)耐久疲勞和強(qiáng)度必須有所保障，否則將危急整車安全和乘員安全[4]。

在以往的研究中，轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命使用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)和線性損傷累積規(guī)則進(jìn)行預(yù)測。實(shí)際上由于車輛的各種操縱，轉(zhuǎn)向節(jié)受到隨機(jī)多輸入非比例載荷的影響較大。有研究預(yù)測不同狀態(tài)下轉(zhuǎn)向節(jié)的多軸疲勞壽命使用臨界平面類型標(biāo)準(zhǔn)的非比例載荷比較可靠[5]。本文通過對轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行靜態(tài)疲勞強(qiáng)度分析[6,7]，然后進(jìn)行耐久疲勞的測試，驗(yàn)證轉(zhuǎn)向節(jié)的可靠性，快速發(fā)現(xiàn)其存在的問題以及提出解決問題的建議。

1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)耐久疲勞方法

在汽車行駛的過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)承受著多軸非比例可變的載荷，受力情況復(fù)雜[8]。如圖1所示，轉(zhuǎn)向節(jié)與麥弗遜懸架系統(tǒng)集成在一起，連接到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)連桿，并承載車輪制動(dòng)系統(tǒng)的主軸和底板 。轉(zhuǎn)向節(jié)連接多個(gè)部件，實(shí)際總成部件測試要求高，測試難度大。本文主要從轉(zhuǎn)向節(jié)及輪轂裝配總成側(cè)向力疲勞試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向節(jié)及輪轂裝配總成垂向力疲勞試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向拉臂疲勞試驗(yàn)三個(gè)方面進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，與總成測試相比降低了測試難度。

1.1 轉(zhuǎn)向節(jié)及輪轂裝配總成側(cè)向力疲勞試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)的載荷計(jì)算

受力分析如圖2所示，輪胎收到的側(cè)向力通過輪胎的輪轂給轉(zhuǎn)向節(jié)施加了彎矩，對其列力矩方程見公式（1）、公式（2）：

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)受力分析

式中：

M —彎矩；

FY—車輪受收的側(cè)向力，單位為kN；

R—車輪滾動(dòng)半徑，單位m。

式中：

μ—彎矩；

FY—車輪受收的側(cè)向力，單位為kN；

Gn—車輛滿載時(shí)對應(yīng)的軸荷，單位為kN。

1.1.2 試驗(yàn)樣品安裝

樣品安裝如圖3所示，安裝步驟如下：

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)安裝示意圖

1）調(diào)整作動(dòng)器位置，連接作動(dòng)器加載端及試驗(yàn)的上工裝；

2）固定轉(zhuǎn)向節(jié)與試驗(yàn)下工裝，過程中嚴(yán)格按實(shí)車裝配力矩要求擰緊各處鏈接螺栓；

3）將轉(zhuǎn)向節(jié)試驗(yàn)樣件通過下工裝固定在臺架上，通過上工裝將轉(zhuǎn)向節(jié)法蘭盤與作動(dòng)器加載端連接起來。擰緊各處鏈接螺栓，保證試驗(yàn)過程穩(wěn)定安全。

1.1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)1.1.1計(jì)算得出的試驗(yàn)載荷對試驗(yàn)樣品進(jìn)行疲勞測試，共計(jì)疲勞循環(huán)2×105次，試驗(yàn)波形為正弦波，試驗(yàn)頻率5 Hz。

1.2 轉(zhuǎn)向節(jié)及輪轂裝配總成垂向力疲勞試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)的載荷計(jì)算

受力分析如圖1所示，轉(zhuǎn)向節(jié)承受垂向力FZ作用，計(jì)算見公式（3）和公式（4）。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)與汽車各部件的連接

式中：

FZ1—2.5倍動(dòng)載系數(shù)載荷工況；

FZ2—3倍動(dòng)載系數(shù)載荷工況。

1.2.2 試驗(yàn)樣品安裝

按照1.1.2要求進(jìn)行試驗(yàn)樣品臺架的安裝，見圖3。

1.2.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)1.2.1計(jì)算出試驗(yàn)載荷后對試驗(yàn)樣品進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，F(xiàn)Z1加載條件下進(jìn)行3×105次疲勞試驗(yàn)，F(xiàn)Z2加載條件下進(jìn)行1×105次疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)波形為正弦波，試驗(yàn)頻率5 Hz。

1.3 轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)向拉臂疲勞試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)的載荷計(jì)算

試驗(yàn)載荷計(jì)算如下：

1）平均試驗(yàn)載荷F1:取1/4車輛滿載前軸載荷（Gn）。

2）最大試驗(yàn)載荷F2:取1/2車輛滿載前軸載荷（Gn）。

1.3.2 試驗(yàn)樣品安裝

試驗(yàn)樣品安裝要求如下，見圖4：

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)節(jié)臂疲勞試驗(yàn)安裝圖

1）通過工裝剛性連接轉(zhuǎn)向節(jié)總成輪轂單元以及減振器下止點(diǎn)安裝位。

2）調(diào)整作動(dòng)器位置，通過工裝鏈接作動(dòng)器和轉(zhuǎn)向節(jié)節(jié)臂，調(diào)節(jié)位置并固定。

3）將工裝固定在臺架上，擰緊各處鏈接螺栓，保證試驗(yàn)過程穩(wěn)定安全。

1.3.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

先按F1進(jìn)行200 000次疲勞試驗(yàn)，再按F2進(jìn)行20 000次疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)波形為正弦波，試驗(yàn)頻率5 Hz。

1.4 試驗(yàn)過程中的注意點(diǎn)

試驗(yàn)按照側(cè)向力、垂直力和轉(zhuǎn)向節(jié)專項(xiàng)拉臂試驗(yàn)的順序進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)；在試驗(yàn)過程中關(guān)注連接部位是否存在松動(dòng)以及力矩的變化情況。

2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)耐久疲勞試驗(yàn)后的分析

經(jīng)過上述三方面的耐久疲勞試驗(yàn)后，外觀完好的轉(zhuǎn)向節(jié)承受強(qiáng)度方面略有下降（圖5）；在承受強(qiáng)度方面和歐美標(biāo)準(zhǔn)要求相比，這批轉(zhuǎn)向節(jié)承受強(qiáng)度略低于歐美大廠標(biāo)準(zhǔn)要求。目前在承受強(qiáng)度改善方面，較為熱門的是采用微量元素添加技術(shù)來增加鑄件轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度，比如在鋁合金6061中添加Zr，Zn和 Cu等微量元素來提高鋁合金6061鑄件強(qiáng)度等一些列物理特性。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞測試前后的承受強(qiáng)度

轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞失效通常發(fā)生在轉(zhuǎn)向節(jié)的右薄壁部位、過度圓角根部和連接轉(zhuǎn)向連桿的部位，這些部位將是我們在耐久疲勞后重點(diǎn)檢查的部位。用工業(yè)CT對耐久疲勞試驗(yàn)后的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行三維無損探傷，外觀完好的轉(zhuǎn)向節(jié)沒有出現(xiàn)可察覺裂紋。如果檢查發(fā)現(xiàn)裂紋存在，我們需要進(jìn)一步根據(jù)裂紋形貌來分析產(chǎn)生裂紋的原因以及各種原因背后形成機(jī)理，指導(dǎo)生產(chǎn)鑄造工藝進(jìn)一步不斷的改良直至解決存在的問題。通常感應(yīng)淬火過渡區(qū)容易出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象，因?yàn)楦袘?yīng)淬火過渡區(qū)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,這也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)抗疲勞性能降低的重要原因。根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行感應(yīng)淬火工藝調(diào)整，并采取延展硬化層技術(shù)要求，消除轉(zhuǎn)向節(jié)柱面與法蘭端面過渡部分?jǐn)嗔央[患，失效情況應(yīng)該得到較好改善。

對于一件斷裂的轉(zhuǎn)向節(jié)（圖6），我們發(fā)現(xiàn)斷面層有空洞。從斷面層金相圖（圖7）上可以看出，孔洞的最大直徑已經(jīng)超過1 mm，區(qū)域氣泡也較多。說明孔洞的存在降低了轉(zhuǎn)向節(jié)承受強(qiáng)度，同時(shí)加上疲勞對轉(zhuǎn)向節(jié)的損傷累積，導(dǎo)致斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。斷裂現(xiàn)象的發(fā)生要求產(chǎn)品在鑄造過程中要盡量防止空洞產(chǎn)生，尤其是防止大空洞的產(chǎn)生。

圖6 斷裂樣品

圖7 斷面層的金相圖

3 總結(jié)

通過對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)靜態(tài)強(qiáng)度的分析，進(jìn)行耐久疲勞測試，得到相對可靠的合格評定要求。不但驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向節(jié)耐久疲勞的可靠性，也進(jìn)一步檢測其承受強(qiáng)度在耐久疲勞前后的差異，驗(yàn)證了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)靜態(tài)強(qiáng)度分析進(jìn)行耐久疲勞的可行性，對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的開發(fā)和鑄造工藝有指導(dǎo)意義。

在汽車實(shí)際行駛過程中轉(zhuǎn)向節(jié)的受力是很復(fù)雜的，轉(zhuǎn)向節(jié)的耐久疲勞壽命受到包括不同的車速、路況和各種復(fù)雜的組合工況的影響，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析和操作。