識(shí)別V型推力桿桿體失效的雙向疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王葉青， 林達(dá)文， 王 進(jìn)， 王峰宇， 劉曉倩

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲 412000)

V型推力桿(以下簡稱V桿)是多軸汽車平衡懸架的關(guān)鍵零部件之一，目前已廣泛應(yīng)用在大型客車和重型汽車上[1]。在車輛運(yùn)行過程中，V桿需要傳遞驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力、離心力及相應(yīng)的力矩，在上述力和力矩的長期疊加作用下，容易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象[2]。目前，對(duì)V桿失效的研究主要集中在橡膠球鉸上[3]，而對(duì)V桿桿體的失效分析及試驗(yàn)驗(yàn)證的研究較少，但實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)過金屬桿體失效的情況。因此，本文通過分析V桿結(jié)構(gòu)及承載形式，依據(jù)某車型V桿實(shí)測路譜的等效載荷條件，進(jìn)行多種試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Abaqus對(duì)“縱向+橫向”雙軸疲勞進(jìn)行有限元分析，對(duì)雙軸疲勞試驗(yàn)失效形式進(jìn)行預(yù)測，為V桿的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 V桿結(jié)構(gòu)及承載形式

1.1 基本結(jié)構(gòu)

推力桿根據(jù)外型主要分為I型直桿與V型桿[4]；直桿結(jié)構(gòu)簡單，由直線套管、兩端球頭裝配橡膠球鉸組成，目前應(yīng)用廣泛，技術(shù)研究較成熟；V桿主要由大端球頭、大端球鉸、兩側(cè)向套管(成一定的夾角)、小端球頭和小端球鉸組合而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體如圖1所示。通過壓裝工藝將大、小端球鉸分別裝配到大、小端球頭中，再由擋圈封裝。大、小端球頭之間的連接是由兩個(gè)連接套管將大、小端頭桿部熱鉚接在一起，由此形成了推力桿總成[4]。

1.2 承載形式

V桿是連接車橋與車架的關(guān)鍵部件，一般成對(duì)使用，主要起傳力、導(dǎo)向、限位和減振功能[5-6]。V桿大端球鉸通過螺栓與車橋連接，兩個(gè)小端球鉸通過螺栓與車架相連，從而傳遞車橋與車架之間的力[4]。車輛運(yùn)行牽引方向V桿主要受縱向動(dòng)態(tài)載荷，轉(zhuǎn)向過程中主要受橫向動(dòng)態(tài)載荷，同時(shí)車體垂向方向存在一個(gè)相對(duì)位移，三種工況復(fù)合時(shí)受到扭轉(zhuǎn)及偏轉(zhuǎn)載荷[7]，承載方向示意圖如圖1所示。

1-大端球頭； 2-大端球鉸； 3-兩側(cè)向套管；4-小端球頭； 5-小端球鉸

2 V桿桿體疲勞有限元分析

首先用有限元軟件Abaqus對(duì)V桿金屬桿體的復(fù)雜工況“縱向+橫向”雙向疲勞進(jìn)行有限元分析，為后面疲勞試驗(yàn)確定產(chǎn)品失效位置提供參考。桿體組成材料的有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 V桿桿體材料參數(shù)表

通過對(duì)某型車上V桿實(shí)測路譜的等效載荷進(jìn)行分析，確定“縱向+橫向”雙向疲勞有限元分析的輸入條件，見表2。縱向按頻率0.9 Hz累計(jì)循環(huán)532 980次，橫向按頻率1 Hz累計(jì)循環(huán)634 200次。

表2 V桿雙向疲勞有限元分析輸入條件

仿真分析結(jié)果顯示：V桿桿體在受到“縱向+橫向”的復(fù)合加載下，V桿金屬部件的多數(shù)區(qū)域疲勞強(qiáng)度因子大于1，這意味著其耐用性有足夠的富余空間，滿足疲勞壽命要求。但關(guān)鍵區(qū)域疲勞強(qiáng)度因子接近并小于1，可推斷該區(qū)域可能存失效風(fēng)險(xiǎn)，具體位置如下：大端球頭殼體邊緣及其與兩側(cè)向套管相連接跟部的疲勞強(qiáng)度因子接近1，屬于薄弱處，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示；兩側(cè)向套管與大小端球頭旋合鉚接處疲勞強(qiáng)度因子接近1，屬于薄弱點(diǎn)，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖3所示；小端球頭與兩側(cè)套管連接跟部處疲勞強(qiáng)度因子接近1，屬于薄弱點(diǎn)，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。

3 試驗(yàn)方案

3.1 檢驗(yàn)依據(jù)及設(shè)備

目前國內(nèi)V桿的靜態(tài)性能及疲勞性能試驗(yàn)暫無可參考的標(biāo)準(zhǔn)，僅有針對(duì)V桿中橡膠球鉸的靜態(tài)及疲勞性能的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35180—2017 《商用車空氣懸架推力桿橡膠鉸接頭技術(shù)規(guī)范》[8]。因此本文進(jìn)行V桿桿體失效試驗(yàn)及分析時(shí)，暫不考慮橡膠球鉸的影響，采用金屬關(guān)節(jié)代替橡膠球鉸，根據(jù)V桿的承載形式，依據(jù)路譜等效載荷，制定多種V桿桿體疲勞失效的試驗(yàn)方案，具體為縱向疲勞試驗(yàn)、橫向疲勞試驗(yàn)、“縱向+橫向”雙向疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)方案對(duì)力源和控制系統(tǒng)要求較高，涉及到相位和耦合問題。V桿試驗(yàn)在國家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備采用多通道電液伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)，滿足試驗(yàn)要求。

3.2 縱向疲勞試驗(yàn)方案

依據(jù)V桿在車輛運(yùn)行牽引方向受到的縱向動(dòng)態(tài)載荷，設(shè)計(jì)了兩種疲勞試驗(yàn)方案，分別是雙頭加載和單頭加載。雙頭加載如圖5所示：將V桿兩側(cè)小端球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)與試驗(yàn)工裝固定在試驗(yàn)基臺(tái)上，大端球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)與試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器連接，沿V桿縱向加載。單頭加載如圖6所示：將V桿的單側(cè)小端球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)與試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器連接，大端球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)用工裝底座固定在試驗(yàn)基臺(tái)上，沿單側(cè)側(cè)向套管方向加載。

圖5 V桿桿體縱向疲勞試驗(yàn)-雙頭加載

圖6 V桿桿體縱向疲勞試驗(yàn)-單頭加載

雙頭加載時(shí)，縱向疲勞載荷為±150 kN，頻率為1 Hz，循環(huán)100萬次；單頭加載時(shí)，當(dāng)V桿兩側(cè)向套管夾角為50°時(shí)，載荷為±150×cos(25°)≈136 kN，頻率為1 Hz，循環(huán)100萬次。

3.3 橫向疲勞試驗(yàn)方案

依據(jù)V桿在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)受到的橫向動(dòng)態(tài)載荷，設(shè)計(jì)方案如圖7所示，將V桿小端兩球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)用工裝固定于三角機(jī)架上，大端球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)沿軸線方向采用轉(zhuǎn)接頭與試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器連接，沿V桿橫向加載。試驗(yàn)條件：橫向疲勞載荷±100 kN，頻率為1 Hz，循環(huán)100萬次。

圖7 V桿桿體橫向疲勞試驗(yàn)

3.4 “縱向+橫向”雙向疲勞試驗(yàn)方案

依據(jù)V桿在車輛運(yùn)行中同時(shí)受到縱向、橫向兩種動(dòng)態(tài)載荷工況，本文設(shè)計(jì)了一種“縱向+橫向”雙向疲勞試驗(yàn)裝置[9]。試驗(yàn)方案主要由設(shè)備機(jī)架、縱向電液伺服加載系統(tǒng)、橫向電液伺服加載系統(tǒng)、“縱向+橫向”雙向疲勞試驗(yàn)裝置、V桿桿體、設(shè)備地基組成，如圖8所示。將V桿小端兩球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)固定在試驗(yàn)裝置的下平臺(tái)，下平臺(tái)與地基固定；大端球頭壓裝金屬關(guān)節(jié)后通過兩個(gè)萬向球頭關(guān)節(jié)分別與縱向、橫向加載系統(tǒng)作動(dòng)器鉸接連接，試驗(yàn)時(shí)縱向、橫向作動(dòng)器協(xié)調(diào)加載作用在V桿桿體上。試驗(yàn)條件與仿真分析相同，即按表2進(jìn)行施加。

4 結(jié)果與分析

V桿桿體單獨(dú)進(jìn)行縱向、橫向疲勞試驗(yàn)時(shí)，桿體外觀無破壞、斷裂現(xiàn)象；進(jìn)行“縱向+橫向”雙向疲勞試驗(yàn)結(jié)果及有限元分析結(jié)果見表3：試驗(yàn)進(jìn)行到694 750次時(shí)V桿桿體發(fā)生斷裂破壞，斷裂時(shí)載荷處于最大區(qū)間處。試驗(yàn)斷裂失效位置位于桿體大端球頭與側(cè)向套管連接根部處，如圖9所示。

表3 V桿雙向疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖9 V桿桿體雙向疲勞試驗(yàn)斷裂位置

V桿桿體雙向疲勞試驗(yàn)斷裂處與有限元分析疲勞強(qiáng)度因子0.593 8的位置具有很好的一致性。因此，疲勞試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方式對(duì)V桿桿體失效位置的識(shí)別及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有較好的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)束語

本文通過分析V桿的結(jié)構(gòu)和承載形式，制定了多種疲勞試驗(yàn)方案，依據(jù)實(shí)測路譜信息等效載荷條件，進(jìn)行“縱向+橫向”雙向疲勞有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明V桿桿體疲勞試驗(yàn)斷裂失效位置與有限元分析的疲勞強(qiáng)度因子小于1的位置具有較好的一致性，試驗(yàn)設(shè)計(jì)符合預(yù)期，準(zhǔn)確地再現(xiàn)了其失效模式，能夠?yàn)楹罄m(xù)V桿的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品研發(fā)提供參考。