田豪，沈阿榮，王琳，王磊

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

某軍用越野車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

田豪，沈阿榮，王琳，王磊

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

以某軍用越野車(chē)為例，通過(guò)運(yùn)用可靠性設(shè)計(jì)方法，以零件無(wú)限疲勞壽命為可靠性設(shè)計(jì)原則對(duì)其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞壽命校核，并根據(jù)實(shí)車(chē)測(cè)得的載荷譜對(duì)零件進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了可靠性設(shè)計(jì)方法的有效性。

可靠性設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；疲勞壽命校核；疲勞試驗(yàn)

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-193-04

前言

對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)，可靠性與人身安全、經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。汽車(chē)由各總成、部件、零件構(gòu)成，如果某一個(gè)零件損壞、一個(gè)元件失效，都可能造成事故，引起嚴(yán)重的后果。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為整車(chē)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，若轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向搖臂等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件失效可能導(dǎo)致車(chē)輛失去方向控制能力，進(jìn)而危及車(chē)輛及駕乘人員安全，因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件主要以無(wú)限疲勞壽命為可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文以某軍用越野車(chē)一橋中間轉(zhuǎn)向搖臂設(shè)計(jì)為例，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行有限元分析和疲勞壽命校核，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，確保零件滿(mǎn)足可靠性要求。

1、可靠性設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)件可靠性設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)件可靠性設(shè)計(jì)方法如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)件可靠性設(shè)計(jì)方法

1.2 初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某軍用越野車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維布置圖如圖2所示，以一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂為例進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。在初始設(shè)計(jì)時(shí)，參考同類(lèi)車(chē)型中間轉(zhuǎn)向搖臂的形狀和斷面尺寸，并按照軸荷等比例加強(qiáng)，得到一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維布置圖

圖3 搖臂初始結(jié)構(gòu)

考慮到后期批量生產(chǎn)的工藝性以及成本因素，中間轉(zhuǎn)向搖臂的材料選用車(chē)輛鍛件常用材料40Cr，按照批量生產(chǎn)的40Cr鍛件的加工工藝及熱處理工藝進(jìn)行零部件加工及疲勞壽命預(yù)測(cè)。

1.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受力情況，建立一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂的有限元分析模型，并進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，搖臂的應(yīng)力分布情況及最大應(yīng)力點(diǎn)如圖4所示。

圖4 一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

由于零件的疲勞破壞都是從應(yīng)力集中部位處起始的，故重點(diǎn)校核位置1處的疲勞極限。零件在實(shí)際工作中受力狀況為變幅載荷受力，為計(jì)算方便并根據(jù)一橋中間轉(zhuǎn)向搖臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，位置1處所受應(yīng)力狀態(tài)近似為對(duì)稱(chēng)循環(huán)受力（應(yīng)力比r=-1），此假設(shè)的受力狀況比實(shí)際受力更苛刻。

1.4 疲勞壽命校核

中間轉(zhuǎn)向搖臂作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，應(yīng)以無(wú)限疲勞壽命為可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)基本假設(shè)，采用常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法：名義應(yīng)力法。對(duì)于對(duì)稱(chēng)循環(huán)受力，中值（可靠度50%）無(wú)限疲勞壽命（N=107）設(shè)計(jì)采用如下公式：

經(jīng)調(diào)制處理的40Cr鍛件，硬度為220HB～250HB，表面經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理。根據(jù)熱處理工藝可知抗拉強(qiáng)度=940 MPa，疲勞極限=422MPa（材料中值疲勞壽命）。

根據(jù)公式：

式中：Kσ為正應(yīng)力下的疲勞缺口系數(shù)；q為缺口疲勞敏感度；Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)。

對(duì)于圖4中位置1處受力情況，可近似簡(jiǎn)化為L(zhǎng)型板受彎矩的情況，理論應(yīng)力集中系數(shù)使用圖5近似模型計(jì)算。

圖5 位置1處簡(jiǎn)化模型

根據(jù)Neuber公式：

式中：σ'為Neuber參數(shù)，可由Neuber參數(shù)圖查出；σ為缺口半徑(mm)；

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，以及多年來(lái)相同工藝40Cr鍛件的疲勞試驗(yàn)情況，將所需技術(shù)參數(shù)代入計(jì)算公式，可得：

由于轉(zhuǎn)向臂表面經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理，對(duì)于存在缺口的鋼制試樣，疲勞強(qiáng)度提高≮30%，對(duì)于光滑試樣≮10%。β3為強(qiáng)化系數(shù)，修正σ-1D，這里僅取下限β3=1.1，則：

對(duì)于位置1處，一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂極限受力時(shí)，最大應(yīng)力為226.6MPa＜σ-1D，可見(jiàn)在比該零件實(shí)際受力更嚴(yán)苛的情況下，位置1處的受力也不大于此處的中值無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度。

1.5 可靠度計(jì)算

無(wú)限壽命下疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的P-S-N線圖演算疲勞強(qiáng)度可靠度。為得到零件的P-S-N曲線，記應(yīng)力循環(huán)數(shù)N0=103對(duì)應(yīng)的有限疲勞壽命為σ-1DN。只要計(jì)算出σ-1DN，便可繪制出零件的中值疲勞壽命曲線，再計(jì)算出各自疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)差，即可根據(jù)失效率P繪制出不同可靠度下的P-S-N曲線，可方便的查出零件在指定循環(huán)次數(shù)下不失效的可靠度。一般認(rèn)為在循環(huán)次數(shù)N≥106，可靠度≮95%時(shí)，就認(rèn)為該零件具有無(wú)限疲勞壽命。

根據(jù)零件無(wú)限疲勞壽命（N=107）時(shí)，疲勞強(qiáng)度為σ-1D=244MPa。

可令N≥107，疲勞強(qiáng)度均值：

當(dāng)N= N0時(shí)，疲勞強(qiáng)度均值：

在材料的近似S-N曲線的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算N=107，N= N0時(shí)的疲勞強(qiáng)度均值，描點(diǎn)連成該零件的近似中值疲勞（S-N）曲線，見(jiàn)圖6。

圖6 材料S-N曲線及零件S-N曲線

注：圖中橫坐標(biāo)表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，例如3代表N=103次；

縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)不同應(yīng)力水平的疲勞極限（單位為MPa）。

當(dāng)N≥107，零件疲勞強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差：

當(dāng)N≥107，不同失效概率P下的零件疲勞強(qiáng)度：

式中：Zp為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布臨界值；

對(duì)應(yīng)于不同失效概率時(shí)，Zp值如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布不同失效概率下的Zp值

在材料及零件的中值疲勞（S-N）曲線的基礎(chǔ)上，使用上述數(shù)值描點(diǎn)，將相同失效概率下的點(diǎn)用直線連接，即可獲得零件的近似P-S-N曲線，如圖7所示。

圖7 零件P-S-N曲線（坐標(biāo)含義同圖6）

根據(jù)靜態(tài)極限受力分析，在位置1處最大應(yīng)力為226.6MPa，實(shí)際中的零件在循環(huán)次數(shù)N＞106時(shí)即為零件的無(wú)限疲勞壽命，由圖7查得：在接近N=107時(shí)，此點(diǎn)近似在P=0.1的S-N線上，故零件不疲勞失效的可靠度R=0.99，即在此對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力下，零件不疲勞破壞的可靠度為99%，所以理論上一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的。

2、可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)在一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂上貼應(yīng)變片采集載荷譜（見(jiàn)圖8），并通過(guò)換算獲取該件位置1處在特殊路段的載荷-時(shí)間歷程。車(chē)輛在工作時(shí)直接測(cè)得的載荷-時(shí)間歷程為零件的工作譜，由于隨機(jī)載荷循環(huán)的不確定性，此譜無(wú)法直接使用，為理論分析及試驗(yàn)方便，利用雨流計(jì)數(shù)法將其處理成一系列的全循環(huán)或半循環(huán)，從而獲得最大應(yīng)力循環(huán)。初步處理后的載荷-時(shí)間歷程如圖9所示。

圖8 載荷譜采集

圖9 初步處理后的載荷-時(shí)間歷程

雨流計(jì)數(shù)法處理后的最大應(yīng)力循環(huán)如圖10所示。

圖10 雨流法處理后載荷譜中最大應(yīng)力循環(huán)

由處理后的圖10可以看到，該零件在實(shí)際工作時(shí)，最大的載荷循環(huán)為：

可見(jiàn)該零件所受最大變幅應(yīng)力為非對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力，為理論及實(shí)際試驗(yàn)方便，處理成對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力的形式，令其最大應(yīng)力σmax保持不變，。該處理后的零件受力比實(shí)際受力更為苛刻，故利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行的試驗(yàn)可靠性有充分的保證，試驗(yàn)結(jié)果可信。

運(yùn)用成組法進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂臺(tái)架試驗(yàn)情況如圖11所示。結(jié)果顯示在N=106次循環(huán)下，該零件未破壞，即該零件設(shè)計(jì)的可靠性是符合要求的。

圖11 一橋右中間轉(zhuǎn)向搖臂臺(tái)架試驗(yàn)

3、結(jié)論

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)靜強(qiáng)度分析找出零部件的薄弱環(huán)節(jié)或應(yīng)力最高的危險(xiǎn)點(diǎn)，采取相應(yīng)措施進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)零部件進(jìn)行疲勞壽命校核和試驗(yàn)驗(yàn)證，確保關(guān)鍵零部件滿(mǎn)足可靠性要求。通過(guò)理論計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證情況，說(shuō)明了可靠性設(shè)計(jì)方法在零部件設(shè)計(jì)中的有效性。

[1] 王霄鋒編著.汽車(chē)可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2007.

[2] 趙少汴,王忠保編著.抗疲勞設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[3] 劉惟信主編.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2000.

[4] 明平順,李曉霞編著.汽車(chē)可靠性技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2004.

Structure Reliability Design and Verification of a Military Off-road Vehicle Steering System

Tian Hao, Shen Arong, Wang Lin, Wang Lei
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi’an 710200）

In this paper, a military off-road vehicle is taken as an example. By using reliability design method, based on the reliability design principle of infinite fatigue life, the structural design and fatigue life check of a key component of the steering system are carried out. According to the measured load spectrum, the bench fatigue test of the part was carried out. and the validity of the reliability design method is verified.

reliability design; structural design; fatigue life check; fatigue test

U463.4

A

1671-7988 (2017)10-193-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.067

田豪，就職于陜西重型汽車(chē)有限公司。