楊蒼祿 ，朱傳敏 ，劉 素 ，滕 飛

(1．同濟(jì)大學(xué)機(jī)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(shí)際工作中主要存在的問題［1］。國內(nèi)外大量文獻(xiàn)研究了轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度失效的原因，通過對(duì)失效件開展化學(xué)分析及金相檢查等，認(rèn)為轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度失效的主要原因是疲勞斷裂。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度的研究從滿足靜強(qiáng)度要求向滿足疲勞強(qiáng)度等方向發(fā)展［2］。通過對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的研究很多都是利用計(jì)算機(jī)分析技術(shù)以及結(jié)合相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)方法開展的理論研究，對(duì)研究理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相對(duì)缺乏，對(duì)這一問題可以基于實(shí)際條件開展汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)研究理論和經(jīng)驗(yàn)方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，完善汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中理論結(jié)合實(shí)踐的技術(shù)路線，這對(duì)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(duì)不同工況開展靜強(qiáng)度分析，應(yīng)用有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行疲勞分析，并完成疲勞耐久性試驗(yàn)。以驗(yàn)證有限元分析方法進(jìn)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(diǎn)，是一個(gè)復(fù)雜的空間受力件，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)用HyperMesh(version 11．0)生成的，模型節(jié)點(diǎn)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(fù)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(dòng)工況、轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況，以及控制臂加載進(jìn)行分析［5］。

前向緊急制動(dòng)產(chǎn)生的垂直載荷:

前向緊急制動(dòng)產(chǎn)生的徑向載荷:

反向緊急制動(dòng)產(chǎn)生的垂直載荷:

反向緊急制動(dòng)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(yàn)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(jì)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(shí)根據(jù)各工況的載荷要求在模型的對(duì)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(duì)比材料的強(qiáng)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(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)緊急制動(dòng)、轉(zhuǎn)向側(cè)滑和控制臂加載3 種待試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)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(dòng)疲勞分析云圖

4 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗(yàn)

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

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(yàn)裝置

針對(duì)選取車型的制動(dòng)部件設(shè)計(jì)制造了疲勞試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)圖如圖(6～8)所示。名稱為制動(dòng)角耐久試驗(yàn)臺(tái)，主要包括零件夾持部分、加載部分和測(cè)試部分，試驗(yàn)軟件是MTS Flex Test。

圖6 DCT-02 疲勞試驗(yàn)裝置

圖7 DCT-04 疲勞試驗(yàn)裝置

圖8 DCT-07 疲勞試驗(yàn)裝置

4．2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗(yàn)

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)在試驗(yàn)臺(tái)上安裝要牢固可靠，各連接和加載部位不得出現(xiàn)松動(dòng)。疲勞試驗(yàn)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(cè)及磁粉探傷檢測(cè)，具體探傷檢測(cè)方法按JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［9］。由于該試驗(yàn)是結(jié)論驗(yàn)證試驗(yàn)，并非為了得到準(zhǔn)確的S-N 曲線，下面各工況的試驗(yàn)試件數(shù)量選取10 件［10-11］。

4．2．1 緊急制動(dòng)疲勞試驗(yàn)

緊急制動(dòng)疲勞試驗(yàn)如圖6 所示?？梢詼y(cè)定轉(zhuǎn)向節(jié)在重復(fù)緊急制動(dòng)載荷作用下的疲勞性能［12］。

(1)試驗(yàn)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(dòng)，一次反向制動(dòng)作為一個(gè)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(dòng)和1 668 次后向制動(dòng))后，沒有裂紋出現(xiàn)。

(2)試驗(yàn)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(yàn)

轉(zhuǎn)向側(cè)滑疲勞試驗(yàn)如圖7 所示?？梢詼y(cè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)

控制臂疲勞試驗(yàn)如圖8 所示?？梢詼y(cè)定控制臂的疲勞性能。

(1)試驗(yàn)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(yàn)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(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元疲勞分析，得到相對(duì)可靠的零部件預(yù)測(cè)壽命，利用疲勞試驗(yàn)裝置完成了疲勞耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元模型、靜強(qiáng)度分析以及疲勞壽命分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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

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