張華，于國林，徐艷玲

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

概述

轉向節(jié)是汽車轉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前輪繞主銷轉動而使汽車轉向，而且承受著多變的沖擊載荷[2]。結合目前使用較多的麥弗遜獨立前懸架，轉向節(jié)已經(jīng)沒有傳統(tǒng)的主銷來固定，連接結構更多，形狀也更為復雜，承受的載荷也是多方面、復雜化的。沒有了主銷實體結構，使得轉向節(jié)與懸架結構相互配合要形成一個相對穩(wěn)定的虛擬主銷結構，保持一定的主銷后傾角、內(nèi)傾角以實現(xiàn)穩(wěn)定的轉向與回正，要求轉向節(jié)空間結構要更加精準[3]。

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

在以往的研究中，轉向節(jié)的疲勞壽命使用雨流循環(huán)計數(shù)和線性損傷累積規(guī)則進行預測。實際上由于車輛的各種操縱，轉向節(jié)受到隨機多輸入非比例載荷的影響較大。有研究預測不同狀態(tài)下轉向節(jié)的多軸疲勞壽命使用臨界平面類型標準的非比例載荷比較可靠[5]。本文通過對轉向節(jié)進行靜態(tài)疲勞強度分析[6,7]，然后進行耐久疲勞的測試，驗證轉向節(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 汽車轉向節(jié)耐久疲勞方法

在汽車行駛的過程中，轉向節(jié)承受著多軸非比例可變的載荷，受力情況復雜[8]。如圖1所示，轉向節(jié)與麥弗遜懸架系統(tǒng)集成在一起，連接到轉向系統(tǒng)連桿，并承載車輪制動系統(tǒng)的主軸和底板 。轉向節(jié)連接多個部件，實際總成部件測試要求高，測試難度大。本文主要從轉向節(jié)及輪轂裝配總成側向力疲勞試驗、轉向節(jié)及輪轂裝配總成垂向力疲勞試驗和轉向節(jié)轉向拉臂疲勞試驗三個方面進行轉向節(jié)疲勞試驗驗證，與總成測試相比降低了測試難度。

1.1 轉向節(jié)及輪轂裝配總成側向力疲勞試驗

1.1.1 試驗的載荷計算

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

圖2 轉向節(jié)受力分析

式中：

M —彎矩；

FY—車輪受收的側向力，單位為kN；

R—車輪滾動半徑，單位m。

式中：

μ—彎矩；

FY—車輪受收的側向力，單位為kN；

Gn—車輛滿載時對應的軸荷，單位為kN。

1.1.2 試驗樣品安裝

樣品安裝如圖3所示，安裝步驟如下：

圖3 轉向節(jié)安裝示意圖

1）調整作動器位置，連接作動器加載端及試驗的上工裝；

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

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

1.1.3 試驗參數(shù)設置

根據(jù)1.1.1計算得出的試驗載荷對試驗樣品進行疲勞測試，共計疲勞循環(huán)2×105次，試驗波形為正弦波，試驗頻率5 Hz。

1.2 轉向節(jié)及輪轂裝配總成垂向力疲勞試驗

1.2.1 試驗的載荷計算

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

圖1 轉向節(jié)與汽車各部件的連接

式中：

FZ1—2.5倍動載系數(shù)載荷工況；

FZ2—3倍動載系數(shù)載荷工況。

1.2.2 試驗樣品安裝

按照1.1.2要求進行試驗樣品臺架的安裝，見圖3。

1.2.3 試驗參數(shù)設置

根據(jù)1.2.1計算出試驗載荷后對試驗樣品進行疲勞試驗，F(xiàn)Z1加載條件下進行3×105次疲勞試驗，F(xiàn)Z2加載條件下進行1×105次疲勞試驗，試驗波形為正弦波，試驗頻率5 Hz。

1.3 轉向節(jié)轉向拉臂疲勞試驗

1.3.1 試驗的載荷計算

試驗載荷計算如下：

1）平均試驗載荷F1:取1/4車輛滿載前軸載荷（Gn）。

2）最大試驗載荷F2:取1/2車輛滿載前軸載荷（Gn）。

1.3.2 試驗樣品安裝

試驗樣品安裝要求如下，見圖4：

圖4 轉向節(jié)節(jié)臂疲勞試驗安裝圖

1）通過工裝剛性連接轉向節(jié)總成輪轂單元以及減振器下止點安裝位。

2）調整作動器位置，通過工裝鏈接作動器和轉向節(jié)節(jié)臂，調節(jié)位置并固定。

3）將工裝固定在臺架上，擰緊各處鏈接螺栓，保證試驗過程穩(wěn)定安全。

1.3.3 試驗參數(shù)設置

先按F1進行200 000次疲勞試驗，再按F2進行20 000次疲勞試驗，試驗波形為正弦波，試驗頻率5 Hz。

1.4 試驗過程中的注意點

試驗按照側向力、垂直力和轉向節(jié)專項拉臂試驗的順序進行連續(xù)試驗；在試驗過程中關注連接部位是否存在松動以及力矩的變化情況。

2 汽車轉向節(jié)耐久疲勞試驗后的分析

經(jīng)過上述三方面的耐久疲勞試驗后，外觀完好的轉向節(jié)承受強度方面略有下降（圖5）；在承受強度方面和歐美標準要求相比，這批轉向節(jié)承受強度略低于歐美大廠標準要求。目前在承受強度改善方面，較為熱門的是采用微量元素添加技術來增加鑄件轉向節(jié)的強度，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鑄件強度等一些列物理特性。

圖5 轉向節(jié)疲勞測試前后的承受強度

轉向節(jié)疲勞失效通常發(fā)生在轉向節(jié)的右薄壁部位、過度圓角根部和連接轉向連桿的部位，這些部位將是我們在耐久疲勞后重點檢查的部位。用工業(yè)CT對耐久疲勞試驗后的轉向節(jié)進行三維無損探傷，外觀完好的轉向節(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理，指導生產(chǎn)鑄造工藝進一步不斷的改良直至解決存在的問題。通常感應淬火過渡區(qū)容易出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象，因為感應淬火過渡區(qū)產(chǎn)生較大內(nèi)應力,這也是導致轉向節(jié)抗疲勞性能降低的重要原因。根據(jù)轉向節(jié)幾何結構進行感應淬火工藝調整，并采取延展硬化層技術要求，消除轉向節(jié)柱面與法蘭端面過渡部分斷裂隱患，失效情況應該得到較好改善。

對于一件斷裂的轉向節(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向節(jié)承受強度，同時加上疲勞對轉向節(jié)的損傷累積，導致斷裂現(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

通過對汽車轉向節(jié)靜態(tài)強度的分析，進行耐久疲勞測試，得到相對可靠的合格評定要求。不但驗證了轉向節(jié)耐久疲勞的可靠性，也進一步檢測其承受強度在耐久疲勞前后的差異，驗證了汽車轉向節(jié)靜態(tài)強度分析進行耐久疲勞的可行性，對汽車轉向節(jié)的開發(fā)和鑄造工藝有指導意義。

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