某轉(zhuǎn)向直拉桿臂失效分析

代天才，馮喜成，孔文，黃運(yùn)強(qiáng)

(東風(fēng)德納車橋有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖北襄陽 441057 )

某轉(zhuǎn)向直拉桿臂失效分析

代天才，馮喜成，孔文，黃運(yùn)強(qiáng)

(東風(fēng)德納車橋有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖北襄陽 441057 )

運(yùn)用有限元軟件MSC.Nastran，對某商用車前橋所用轉(zhuǎn)向直拉桿臂進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果中轉(zhuǎn)向直拉桿臂應(yīng)力極值點(diǎn)和客戶使用過程失效模式有一定差異；接著利用非線性有限元軟件MSC.Marc，采用接觸方案，對該轉(zhuǎn)向直拉桿臂重新進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力極值點(diǎn)和客戶失效部位吻合。為了驗(yàn)證后者方案的正確性，對該轉(zhuǎn)向直拉桿臂進(jìn)一步進(jìn)行臺架試驗(yàn)，該臂臺架失效部位和分析結(jié)果應(yīng)力最大部位一致，再次驗(yàn)證了非線性方法的正確性。進(jìn)而通過該方法來分析此類臂零件，降低產(chǎn)品整體應(yīng)力水平，提升產(chǎn)品可靠性。

有限元分析；非線性；失效模式；直拉桿臂

0　引言

可靠性是汽車最基本、最重要的性能指標(biāo)之一，也是一個(gè)重要的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)?？煽啃允窃O(shè)計(jì)和制造人員一致追求的目標(biāo)，即使是等壽命設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員也希望產(chǎn)品在服役期間滿足設(shè)定壽命，不出現(xiàn)產(chǎn)品的早期失效。文中是針對某商用車轉(zhuǎn)向直拉桿臂進(jìn)行失效分析，主要結(jié)合MSC有限元軟件，探索搜尋合理有限元分析方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

汽車在轉(zhuǎn)向過程中，駕駛員的指令需要經(jīng)過轉(zhuǎn)向機(jī)，通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳達(dá)到轉(zhuǎn)向輪端，而轉(zhuǎn)向直拉桿臂是商用車車橋總成上連接轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向梯形部分的連接件[1]。直拉桿臂種類繁多，依據(jù)不同車型、不同轉(zhuǎn)向載荷及轉(zhuǎn)向靈敏度的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向拉桿臂形狀及直徑等各不相同,和轉(zhuǎn)向球頭銷連接的銷孔偏置距離也不相同，看似是比較簡單的零部件，結(jié)構(gòu)形式也比較單一，但使用比較普遍，種類也比較繁多，通過實(shí)驗(yàn)保證所有拉桿臂的可靠性就顯得繁雜，也幾乎不可能。圖1是目前常用直拉桿臂，其一端通過球頭銷和轉(zhuǎn)向機(jī)鏈接，一端緊固在轉(zhuǎn)向節(jié)上。

作為安保類零件，轉(zhuǎn)向拉桿臂可靠性顯得非常重要，假想汽車在紅綠燈十字路口或盤山公路上運(yùn)行，需要轉(zhuǎn)彎瞬間，因?yàn)槔瓧U臂斷裂，汽車行駛時(shí)轉(zhuǎn)向功能失靈，汽車就瞬間往前沖過去，此時(shí)駕駛員再踩剎車反應(yīng)時(shí)間相對滯后，必定釀成交通事故。

安保件通常設(shè)計(jì)滿足無限壽命要求，在此依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，要求大于極限載荷下的20萬次壽命要求，所用材料是40MnB或者40Cr。目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過FEA來進(jìn)行設(shè)計(jì)壽命的預(yù)估，進(jìn)而保證產(chǎn)品可靠性。

圖2是客戶使用過程中轉(zhuǎn)向直拉桿臂失效斷裂圖片。

1　直拉桿臂受力分析

對于直拉桿臂，在使用過程中受到垂直加工面的推力或拉力，見圖3，依據(jù)經(jīng)典力學(xué)計(jì)算，要求最大彎曲正應(yīng)力

σmax=Mmax/W<[σ]

其中：Mmax為最大彎矩，M=Fl；W為抗彎界面系數(shù)，對于矩形截面，W=bh2/6，對于圓形截面，W=πd3/32。

由于直拉桿臂截面是變化的，B所指截面承受彎矩最大，但是抗彎界面系數(shù)和A所指截面有待比較，不考慮應(yīng)力集中程度影響，當(dāng)WB

2　直拉桿臂材料分析

從該直拉桿臂的失效表面情況看，該臂所用材料通常為性能較高的40MnB，光譜檢驗(yàn)結(jié)果40MnB：0.42%的C， 0.32%的Si，0.002 7%的S， 0.008%的P，1.12%的Mn，0.002 3%的B，見圖4，調(diào)制后硬度HB254左右；從材料分析看，該臂化學(xué)成分符合，金相組織合格。

零件表面質(zhì)量也是影響零部件疲勞壽命的重要因素，零件表面有加工刀痕，表面疲勞缺口效應(yīng)，往往導(dǎo)致零部件早期失效。該臂表面未發(fā)現(xiàn)明顯傷痕，表面質(zhì)量良好，說明該臂不是由材料成分引起的早期失效。

從該直拉桿臂斷裂情況看，失效發(fā)生在螺栓連接部位，斷口部位一側(cè)光滑，是裂紋起始部位，表明該臂是疲勞斷裂。

3　有限元分析

對一個(gè)零部件的受力分析，可以單獨(dú)考慮，也就是從裝配整體中取出單個(gè)零部件進(jìn)行受力分析，依據(jù)圣維南原理，遠(yuǎn)處區(qū)域應(yīng)力可以認(rèn)為是真實(shí)的，如方案一； 也可以用整體法，以一個(gè)部件所在機(jī)構(gòu)或者裝配體進(jìn)行受力分析，查看所考察零部件的受力狀態(tài)。在分析過程中兼顧主要分析對象，同時(shí)考慮計(jì)算成本，需要對有限元模型進(jìn)行不同程度簡化，如方案二。

目前一般通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法來保證直拉桿臂壽命要求。首先，從三維造型軟件Pro/Engineer中建立直拉桿臂CAD模型，再導(dǎo)入CAE軟件MSC.Marc中，由于拉桿臂受到近似三角波型載荷，可以計(jì)算準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)和實(shí)驗(yàn)對比，查看模型差異，建立衡量標(biāo)準(zhǔn)。

該臂所用材料設(shè)定為40Cr，該材料彈性模量E=211 000 MPa，泊松比μ=0.277，屈服極限σ0.2=785 MPa，σb=980 MPa。

3.1有限元方案一

汽車在轉(zhuǎn)向過程中，駕駛員操作轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向力是由鏈接在轉(zhuǎn)向機(jī)上面的球頭銷經(jīng)過錐形孔作用到直拉桿臂上，然后由直拉桿臂傳至轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的，通過橫拉桿作用到另一端，從而起到轉(zhuǎn)向作用。該直拉桿臂安裝在4.2T前軸上，約束轉(zhuǎn)直拉桿臂上和轉(zhuǎn)向節(jié)接觸的端面，在球頭銷位置施加載荷，球頭銷至安裝面大端距離24 mm，球頭銷部位施加載荷12 348 N。

在MSC.Patran軟件中，通過簡化分析，把直拉桿臂上和轉(zhuǎn)向節(jié)接觸部位固定，把和球頭銷連接部位作為施力點(diǎn)，進(jìn)一步簡化后模型如圖5所示，其中偏置用rbe3連接實(shí)現(xiàn)，所用求解器為MSC.Nastran。

通過計(jì)算，有限元方案的分析結(jié)果見圖6。

通過分析，看到δA=619 MPa，δB=359 MPa，最大主應(yīng)力在A位置。按照準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算疲勞，對于該材料，最先發(fā)生疲勞失效部位和最大主應(yīng)力部位應(yīng)該一致，所以方案一分析方法在此就存在盲區(qū)，需要回顧修正。

3.2有限元方案二

根據(jù)實(shí)際直拉桿臂連接情況，考慮到實(shí)際中直拉桿臂和轉(zhuǎn)向節(jié)通過螺栓固定，通過接觸部位傳力，由此應(yīng)用接觸迭代算法，建立直拉桿臂有限元模型，如圖7所示,所用軟件為MSC.Patran和MSC.Marc[2]。

3.2.1螺栓模擬

其中螺栓連接在CAE軟件中用給定的方法來模擬，如圖8所示。

首先需要建立Overclosure Tyings單元，來模擬實(shí)際螺栓工作過程，包含預(yù)緊過程和位移約束過程。預(yù)緊過程中，在預(yù)緊載荷作用下，螺栓只能沿自身軸向延長，此時(shí)螺栓受到預(yù)緊載荷，同時(shí)限制螺栓徑向偏斜。位移約束是指螺栓所連接的零部件，在螺栓預(yù)緊完之后，通過螺栓內(nèi)部拉力來連接[3]。

3.2.2非線性有限元模型建立

在轉(zhuǎn)向節(jié)上對應(yīng)輪距位置約束節(jié)點(diǎn)所有自由度，在球頭銷大端偏置24 mm位置施加12 348 N,螺栓預(yù)緊力300 N·m，計(jì)算到螺栓內(nèi)部的拉力為75 kN。分析結(jié)果見圖9。

通過分析，看到δA=487 MPa，δC=599 MPa，最大主應(yīng)力在C位置，和現(xiàn)場用戶失效截面位置一致。

針對失效的直拉桿臂，作者同時(shí)對該臂進(jìn)行了改進(jìn)，在中間螺栓孔位置，直徑由46 mm增加到55 mm，同時(shí)增大倒角，見圖 10。

改進(jìn)后的方案計(jì)算結(jié)果如圖11所示，最大應(yīng)力水平有較大幅度的降低。

從計(jì)算模型上看，方案一屬于線性分析，方案二屬于非線性分析，方案一計(jì)算成本上優(yōu)于后者方案；從結(jié)果顯示來看，兩個(gè)方案直拉桿臂拐彎部位都出現(xiàn)應(yīng)力集中。

鑒于該螺栓孔部位存在應(yīng)力集中，為了查明原因及找到降低應(yīng)力集中辦法，又嘗試通過改變螺栓預(yù)緊力辦法查看該部位應(yīng)力。通過變化螺栓預(yù)緊力，可以看到拉桿臂螺栓孔位置最大應(yīng)力變化曲線如下圖12。

從臂的分析結(jié)果看：改進(jìn)前直拉桿臂最大主應(yīng)力部位在螺栓孔安裝部位，和客戶使用過程中失效部位一致，表明該直拉桿臂設(shè)計(jì)的疲勞強(qiáng)度不能滿足要求；改進(jìn)后的直拉桿臂應(yīng)力有較大幅度降低。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

接著分別對優(yōu)化前后的該4.2 t直拉桿臂進(jìn)行臺架試驗(yàn)，見圖13，按照拉壓工況幅值為12 348 N正弦波加載。

從試驗(yàn)結(jié)果看：改進(jìn)前拉桿臂壽命分別為16.9萬次、17.2萬次、13.8萬次，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)定疲勞壽命，無法滿足可靠性要求；從失效部位看(見圖14)，和非線性方法分析結(jié)果應(yīng)力極值部位一致。改進(jìn)后的直拉桿臂，臺架試驗(yàn)20萬次之后未發(fā)生失效。

5　總結(jié)

通過使用非線性計(jì)算方法，改變臂類零件模擬的邊界條件，建立新的分析方案。應(yīng)用該分析方案，可以計(jì)算出整個(gè)臂類零件應(yīng)力極值點(diǎn)，較好地和失效模式吻合，有效地模擬臂類零件失效部位，消除盲區(qū)。通過該方法，完善分析及建立標(biāo)準(zhǔn)，可以讓產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初級階段就滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的使用壽命要求，有效規(guī)避市場風(fēng)險(xiǎn)。

【1】余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

【2】李喜梅,崔昭霞,顧景江.有限元軟件Marc對典型銷連接的分析[J].機(jī)械制造及自動(dòng)化,2008,37(2):103-105.

【3】陳火紅.新編Marc有限元實(shí)例教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

Failure Analysis of a Steering Drag Link Arm

DAI Tiancai, FENG Xicheng, KONG Wen, HUANG Yunqiang

(Product R & D Center,Dongfeng Dana Axle Co.,Ltd., Xiangyang Hubei 441057,China)

By using the finite element analysis software MSC.Nastran, a steering drag link arm mounted on a front axle of a truck was analyzed, to simulate it on service conditions. The results showed that the extreme stress point on the steering drag link arm was not the same to the destroyed one used by truck customers, it mean the failure mode was inconsistent to the customers’. Then it was analyzed again, adopting the contact approach, by using another finite element analysis software MSC.Marc,which was a nonlinear software. The maximum stress point coincided with the destroyed one this time.To verify the second scenario correctness, the steering drag link arm was tested latter. The destroyed section in test coincided with the maximum stress point in simulation. It proved the correctness of the nonlinear approach. Following, the approach was used to analyze such arm sect1s, the stress level of products was reduced and products reliability was improved.

Finite element analysis；Nonlinear；Failure mode；Drag link arm

2015-05-22

代天才，男，本科，工程師，從事結(jié)構(gòu)仿真工作。E-mail:tiancai.dai@ddac.com.cn。