摘 要：首先分析作用到轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的最大載荷，計(jì)算此載荷對(duì)其各截面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，通過(guò)第四強(qiáng)度理論計(jì)算產(chǎn)品的安全系數(shù)，評(píng)估轉(zhuǎn)向節(jié)臂的安全性，然后使用有限元分析法予以復(fù)驗(yàn)，用臺(tái)架測(cè)試、整車(chē)搭載試驗(yàn)的手段驗(yàn)證可靠性。進(jìn)而推廣此工作法使用至懸臂梁零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化中。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié)臂 失效分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 第四強(qiáng)度理論 有限元

1 緒論

轉(zhuǎn)向節(jié)臂（如圖1所示）是轉(zhuǎn)向橋上與整車(chē)其他部件連接的唯一零部件，其前端通過(guò)直拉桿總成與方向機(jī)相連，后端連接轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向節(jié)總成（如圖2所示），是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向功能的關(guān)鍵零部件，也是最主要的保安件。一旦失效，轉(zhuǎn)向橋?qū)⑹テ渥罨镜霓D(zhuǎn)向功能和整車(chē)動(dòng)力源的控制引發(fā)一系列致命故障。

因此，轉(zhuǎn)向節(jié)臂設(shè)計(jì)的安全性及全生命周期的可靠性成為轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)研發(fā)工程師所必須首先要考慮的課題。

本文結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂故障，如圖3。首先對(duì)比計(jì)算車(chē)輪原地轉(zhuǎn)向阻力矩和整車(chē)方向機(jī)輸出力矩產(chǎn)生的載荷，確定施加在轉(zhuǎn)向橋上的最大載荷。結(jié)合轉(zhuǎn)向節(jié)臂的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)對(duì)其危險(xiǎn)截面進(jìn)行抗彎、抗扭應(yīng)力計(jì)算，最后通過(guò)第四強(qiáng)度理論對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。結(jié)合產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)。另一方面利用有限元分析法分析產(chǎn)品各處的應(yīng)力值，從理論上評(píng)估其安全性。

再進(jìn)行實(shí)物的可靠性臺(tái)架試驗(yàn)，搭載整車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂受力計(jì)算

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零部件設(shè)計(jì)一般既要保證能夠停車(chē)時(shí)原地轉(zhuǎn)向又要滿(mǎn)足動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向需求。轉(zhuǎn)向節(jié)臂在前橋總成的裝配示意圖如圖4。

原地轉(zhuǎn)向時(shí)，車(chē)輪轉(zhuǎn)向阻力矩可用下式計(jì)算：

（1）

式中：——輪胎與地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.7；

——前橋總成額定載荷；

——輪胎氣壓，一般取0.81；

原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向節(jié)臂受力計(jì)算：

（2）

式中：——轉(zhuǎn)向節(jié)臂工作半徑；

方向機(jī)輸出力矩作用到轉(zhuǎn)向節(jié)臂的力可用下式計(jì)算：

（3）

式中：——方向機(jī)輸出力矩；

——垂臂長(zhǎng)度；

通過(guò)對(duì)比與，取最大值對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行力值輸入，計(jì)算轉(zhuǎn)向節(jié)臂的某一截面的彎矩、扭矩。

（4）

（5）

式中：——力的作用點(diǎn)到某截面的長(zhǎng)度；

——力的作用點(diǎn)到某截面的高度；

對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算斷面系數(shù)：

（6）

（7）

式中：——截面高度；

——截面寬度；

——抗扭端面系數(shù)；

其中抗扭斷面系數(shù)存在以下關(guān)系：

通過(guò)彎矩、抗彎斷面系數(shù)；扭矩、抗扭斷面系數(shù)分別計(jì)算轉(zhuǎn)向節(jié)臂截面的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

（8）

（9）

最后通過(guò)第四強(qiáng)度理論計(jì)算轉(zhuǎn)向節(jié)臂某截面的合應(yīng)力，計(jì)算其安全系數(shù)：

（10）

3 實(shí)例分析及實(shí)物改進(jìn)

某商用車(chē)5.5噸前橋總成轉(zhuǎn)向節(jié)臂頻繁出現(xiàn)直拉桿臂中間連接螺栓處斷裂的問(wèn)題，如圖3；經(jīng)分析A-A截面、B-B截面為產(chǎn)品相對(duì)薄弱和應(yīng)力最大處，如圖4，前橋總成所裝車(chē)型及產(chǎn)品參數(shù)如表2。

通過(guò)公式（1）（2）（3）計(jì)算輸入到轉(zhuǎn)向節(jié)臂的最大作用力。

=23062N

=25357N

通過(guò)公式（8）（9）分別計(jì)算A-A，B-B截面的彎曲應(yīng)力。

A-A截面：

=9450Nm

=11794Nm

B-B截面：

=9756Nm

=12176Nm

通過(guò)公式（10）計(jì)算兩截面合應(yīng)力：

=235.5MPa

=785MPa

通過(guò)測(cè)試轉(zhuǎn)向節(jié)臂本體抗拉強(qiáng)度（42CrMo），其應(yīng)力值為933Mpa，937Mpa，927Mpa，930Mpa，933Mpa（基本滿(mǎn)足42CrMo調(diào)質(zhì)許應(yīng)應(yīng)力[δ]≥930Mpa）。取實(shí)際測(cè)試的最小值927Mpa計(jì)算安全系數(shù)如表３：

通過(guò)計(jì)算A-A截面安全系數(shù)滿(mǎn)足要求，B-B截面安全系數(shù)低于機(jī)械行業(yè)規(guī)定的零部件安全系數(shù)≥1.5的要求，與實(shí)際失效模式相符。

通過(guò)對(duì)B-B截面進(jìn)行尺寸優(yōu)化，調(diào)整h值47mm尺寸至55mm，經(jīng)計(jì)算其安全系數(shù)1.6，滿(mǎn)足行業(yè)規(guī)定要求。

4 有限元模型及分析方法

為準(zhǔn)確仿真轉(zhuǎn)向節(jié)臂優(yōu)化后各截面的安全性，根據(jù)其工作狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，具體仿真結(jié)果如圖5。

轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料為42CrMo，密度7850kg/m3，彈性模量212GPa，泊松比0.28，屈服強(qiáng)度930MPa。

5 轉(zhuǎn)向節(jié)臂臺(tái)架測(cè)試

在我們公司MTS四通道試驗(yàn)機(jī)上對(duì)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向節(jié)臂根據(jù)《汽車(chē)轉(zhuǎn)向橫、直拉桿及前橋轉(zhuǎn)向性能技術(shù)條件》進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，模擬轉(zhuǎn)向節(jié)臂加載狀態(tài)的疲勞試驗(yàn)，如圖6所示。

經(jīng)測(cè)試，改進(jìn)后轉(zhuǎn)向節(jié)臂試驗(yàn)結(jié)果如表5，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

結(jié)合轉(zhuǎn)向節(jié)臂的使用工況，通過(guò)對(duì)其受力分析，可以理論分析其危險(xiǎn)截面及其承受的最大應(yīng)力，結(jié)合產(chǎn)品選材及經(jīng)特定工藝處理獲取的值，利用第四強(qiáng)度理論可以定量判定產(chǎn)品的安全性。

另一方面，利用有限元法，結(jié)合分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行仿真分析，也可對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂危險(xiǎn)截面進(jìn)行分析評(píng)估。優(yōu)化后實(shí)物臺(tái)架測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，整車(chē)搭載試驗(yàn)無(wú)異常。在理論和實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向節(jié)臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

通過(guò)理論分析與臺(tái)架測(cè)試相結(jié)合的手段，解決了轉(zhuǎn)向節(jié)臂的失效問(wèn)題，規(guī)避了市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，該方法可推廣至懸臂梁工作狀態(tài)的零部件的研究中。

參考文獻(xiàn)：

[1]王霄鋒.汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010．

[2]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[3]劉惟信.汽車(chē)車(chē)橋設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]朱金寶，宋小偉，肖聰，等.某電動(dòng)輕卡轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂失效分析及優(yōu)化[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2019.

[5]陳軍，申娟，唐春蓬，等.重型商用車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)研究[J].汽車(chē)零部件，2015.

[6]馬宇，王紅衛(wèi)，蔚林林.重載汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014.

[7]國(guó)家機(jī)械工業(yè)局.汽車(chē)轉(zhuǎn)向系基本要求：GB/T17675-2021[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2021.