楊蒼祿 ，朱傳敏 ，劉 素 ，滕 飛

(1．同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)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(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一。在汽車行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向節(jié)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(zhuǎn)向節(jié)在實際工作中主要存在的問題［1］。國內(nèi)外大量文獻研究了轉(zhuǎn)向節(jié)強度失效的原因，通過對失效件開展化學(xué)分析及金相檢查等，認為轉(zhuǎn)向節(jié)強度失效的主要原因是疲勞斷裂。因此，對轉(zhuǎn)向節(jié)強度的研究從滿足靜強度要求向滿足疲勞強度等方向發(fā)展［2］。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的研究很多都是利用計算機分析技術(shù)以及結(jié)合相關(guān)的經(jīng)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(zhuǎn)向節(jié)的實驗研究，對研究理論和經(jīng)驗方法的可行性進行驗證，完善汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計開發(fā)過程中理論結(jié)合實踐的技術(shù)路線，這對轉(zhuǎn)向節(jié)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(zhuǎn)向節(jié)構(gòu)件的有限元模型，針對不同工況開展靜強度分析，應(yīng)用有限元方法對設(shè)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(zhuǎn)向節(jié)疲勞分析的可行性。

1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)分析與建模

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是連接汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，在汽車底盤所處的位置和特定的功能使轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，集中了軸、套、盤環(huán)、叉架等4類零件的結(jié)構(gòu)特點，是一個復(fù)雜的空間受力件，對其結(jié)構(gòu)進行有限元分析的重要性和代表性尤其突出［3］。

分析中應(yīng)用的有限元模型是運用HyperMesh(version 11．0)生成的，模型節(jié)點數(shù)為201430，單元數(shù)為175498。轉(zhuǎn)向節(jié)模型如圖1 所示。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元模型

該轉(zhuǎn)向節(jié)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(zhuǎn)向節(jié)工況分析

在汽車行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向節(jié)承受著包括負載、約束及路面?zhèn)鬟f的沖擊等交變載荷，受力情況復(fù)雜［4］。本研究選擇緊急制動工況、轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況，以及控制臂加載進行分析［5］。

前向緊急制動產(chǎn)生的垂直載荷:

前向緊急制動產(chǎn)生的徑向載荷:

反向緊急制動產(chǎn)生的垂直載荷:

反向緊急制動產(chǎn)生的徑向載荷:

緊急轉(zhuǎn)向的內(nèi)側(cè)載荷:

緊急轉(zhuǎn)向的外側(cè)載荷:

緊急轉(zhuǎn)向的垂直載荷:

控制臂拉桿試驗載荷:

表2 參數(shù)定義

整車相關(guān)參數(shù)如表3 所示。經(jīng)過計算得汽車轉(zhuǎn)向節(jié)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(yīng)力值［6-7］如表5 所示。同時根據(jù)各工況的載荷要求在模型的對應(yīng)部位加載作用力，并執(zhí)行有限元求解命令，得到相應(yīng)的應(yīng)力云圖［8］，以控制臂加載為例，應(yīng)力云圖如圖2 所示。

通過對比材料的強度極限，最大應(yīng)力值都在材料的承受范圍內(nèi)。

表3 整車主要技術(shù)參數(shù)

表4 轉(zhuǎn)向節(jié)輸入載荷

表5 不同狀況下的最大Von Mises 應(yīng)力值

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)控制臂加載應(yīng)力云圖

3 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞分析

為了考察汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的耐久性，本研究利用有限元方法對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)緊急制動、轉(zhuǎn)向側(cè)滑和控制臂加載3 種待試驗狀態(tài)進行疲勞分析，分析結(jié)果如表6 所示。

表6 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞分析結(jié)果

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)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(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗

為了驗證汽車轉(zhuǎn)向節(jié)有限元疲勞分析的結(jié)果，本研究進行了汽車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗。

圖4 轉(zhuǎn)向側(cè)滑疲勞分析云圖

圖5 控制臂疲勞分析云圖

4．1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗裝置

針對選取車型的制動部件設(shè)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(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)在試驗臺上安裝要牢固可靠，各連接和加載部位不得出現(xiàn)松動。疲勞試驗全部完成后，轉(zhuǎn)向節(jié)樣件還需經(jīng)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(shè)備無損檢測》標準執(zhí)行［9］。由于該試驗是結(jié)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(shù)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(zhuǎn)向節(jié)在重復(fù)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(shù)據(jù)和施加方向，以三次前向制動，一次反向制動作為一個循環(huán)，頻率采用3 Hz。轉(zhuǎn)向節(jié)必須滿足所有試件通過5 000 次循環(huán)(5 000 次前向制動和1 668 次后向制動)后，沒有裂紋出現(xiàn)。

(2)試驗結(jié)果:所有轉(zhuǎn)向節(jié)試件經(jīng)過5 000 次循環(huán)后未出現(xiàn)裂紋。

4．2．2 轉(zhuǎn)向側(cè)滑疲勞試驗

轉(zhuǎn)向側(cè)滑疲勞試驗如圖7 所示?？梢詼y定轉(zhuǎn)向節(jié)在重復(fù)轉(zhuǎn)向側(cè)滑載荷作用下的疲勞性能。

(1)試驗要求:按照表4 的載荷數(shù)據(jù)和施加方向，采用載荷比1∶1，頻率3 Hz。轉(zhuǎn)向節(jié)必須滿足所有試件通過5 000 次循環(huán)后，沒有裂紋出現(xiàn)。

(2)試驗結(jié)果:所有轉(zhuǎn)向節(jié)試件經(jīng)過5 000 次循環(huán)后未出現(xiàn)裂紋。

4．2．3 控制臂疲勞試驗

控制臂疲勞試驗如圖8 所示。可以測定控制臂的疲勞性能。

(1)試驗要求:按照表4 的載荷數(shù)據(jù)和施加方向，采用載荷比1∶1，頻率10 Hz。轉(zhuǎn)向節(jié)必須滿足所有試件通過300 萬次循環(huán)后，沒有裂紋出現(xiàn)。

(2)試驗結(jié)果:所有轉(zhuǎn)向節(jié)試件經(jīng)過300 萬次循環(huán)后未出現(xiàn)裂紋。

5 結(jié)束語

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

一系列完整的分析過程和試驗結(jié)果表明轉(zhuǎn)向節(jié)完全滿足設(shè)計要求，驗證了有限元分析方法進行汽車轉(zhuǎn)向節(jié)靜強度分析和疲勞分析的可行性，研究成果對汽車轉(zhuǎn)向節(jié)開發(fā)有指導(dǎo)意義。

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

［2］袁 旦．汽車轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計［D］． 杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，2008．

［3］蔣 瑋．轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析及試驗驗證［J］．車輛與動力技術(shù)，2008(4):5-8．

［4］許 志．汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性及靈敏度分析［D］． 杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，2012．

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

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

［7］周英雄，王 勇，宋 燁．高速動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計中的應(yīng)用［J］．科技與企業(yè)，2014(8):299．

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

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

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

［12］劉素紅． 基于SFEM 的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞可靠性研究［D］．杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，2010．