重型商用車轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)研究

陳軍，申娟，唐春蓬，趙贏，張旭，徐文雅

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

重型商用車轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)研究

陳軍，申娟，唐春蓬，趙贏，張旭，徐文雅

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

轉(zhuǎn)向節(jié)臂是重型商用車轉(zhuǎn)向節(jié)的關(guān)鍵零部件，其疲勞性能直接影響整車的可靠性和安全性。對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)輸入載荷譜的確定和臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了研究。通過標(biāo)定轉(zhuǎn)向直拉桿和采集典型轉(zhuǎn)向工況實(shí)車載荷譜確定了轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)的輸入載荷。根據(jù)采集到的載荷譜和疲勞累積損傷等效原則制定了轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)輸入載荷譜，并據(jù)此進(jìn)行了轉(zhuǎn)向節(jié)臂的疲勞性能驗(yàn)證試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)有效驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向節(jié)臂的疲勞性能，找出了可能出現(xiàn)失效的部位，為轉(zhuǎn)向節(jié)臂的改進(jìn)提供了依據(jù)。最后對(duì)改進(jìn)過的轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行了疲勞性能的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

轉(zhuǎn)向節(jié)臂；標(biāo)定；疲勞試驗(yàn)；載荷譜

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車重要部件，位于轉(zhuǎn)向輪上，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵部件。轉(zhuǎn)向節(jié)受力復(fù)雜，工況惡劣，對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛安全性起著重要的作用。重型商用車轉(zhuǎn)向節(jié)臂是轉(zhuǎn)向節(jié)總成的關(guān)鍵零部件，其疲勞性能的好壞直接影響汽車的安全性和可靠性。在汽車道路試驗(yàn)之前驗(yàn)證轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞性能的方式有CAE仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)。而試驗(yàn)的輸入載荷的確定方法近幾年采用較多的是“CAE分析法”或者“CAE分析+試驗(yàn)法”。在查到的文獻(xiàn)中，基本思路是在典型路況而非典型轉(zhuǎn)向工況下對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行疲勞強(qiáng)度研究[1]，試驗(yàn)載荷譜的確定方法是首先對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行靜強(qiáng)度分析[2]或臺(tái)架試驗(yàn)得出可能出現(xiàn)損壞的最大載荷和部位，然后在該部位粘貼應(yīng)變片測(cè)力[1]并進(jìn)行疲勞分析。轉(zhuǎn)向節(jié)臂的主要受力是在轉(zhuǎn)向時(shí)受到的載荷，通過典型路況獲得的結(jié)果不具有典型性，而且試驗(yàn)載荷譜的確定過程亦不夠簡(jiǎn)便。文中將對(duì)典型轉(zhuǎn)向工況下重型商用車轉(zhuǎn)向節(jié)臂臺(tái)架疲勞試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 輸入載荷的確定

欲進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)，其輸入載荷必須首先確定。文中通過采集滿載配重后的實(shí)車轉(zhuǎn)向直拉桿載荷譜來確定該輸入載荷。

1.1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂受力分析

轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向直拉桿通過拉桿球頭相連接。轉(zhuǎn)向直拉桿為二力桿，與轉(zhuǎn)向節(jié)臂的受力關(guān)系為作用力和反作用力，因此轉(zhuǎn)向節(jié)臂的輸入載荷大小等于轉(zhuǎn)向直拉桿的軸向載荷大小，兩者方向相反。見圖1。

1.2 貼片位置

可以通過采集轉(zhuǎn)向直拉桿的載荷確定轉(zhuǎn)向節(jié)的輸入載荷。因此，應(yīng)變片粘貼位置定為轉(zhuǎn)向直拉桿的兩端軸向方向。轉(zhuǎn)向直拉桿貼片位置見圖2。

1.3 轉(zhuǎn)向直拉桿的標(biāo)定

由于實(shí)車載荷譜采集的信號(hào)是應(yīng)變，不能直接得出載荷的大小，因此，在進(jìn)行載荷譜采集之前應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)向直拉桿進(jìn)行標(biāo)定，確定其受力與應(yīng)變之間的線性關(guān)系，得出系數(shù)k。通過這個(gè)系數(shù)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理就可以得出轉(zhuǎn)向直拉桿的受力，從而獲得轉(zhuǎn)向節(jié)的輸入載荷。其計(jì)算方法見公式(1)：

F輸入=-F直拉桿=-k·ε

(1)

其中：F輸入為轉(zhuǎn)向節(jié)臂輸入載荷，F(xiàn)直拉桿為轉(zhuǎn)向直拉桿所受載荷，k為標(biāo)定得出的系數(shù)，ε為應(yīng)變。標(biāo)定試驗(yàn)在臺(tái)架上進(jìn)行，試件為轉(zhuǎn)向直拉桿，模擬實(shí)車狀態(tài)進(jìn)行安裝。數(shù)據(jù)采集儀器采用HBM公司的HBM-Somat-eDAQ多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀。試驗(yàn)設(shè)備采用SBN-100ST-I重型車球銷試驗(yàn)臺(tái)。標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)架見圖3。

通過對(duì)轉(zhuǎn)向直拉桿進(jìn)行多組載荷的加載，得出一系列的應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過擬合載荷-應(yīng)變曲線得出轉(zhuǎn)向直拉桿兩端的標(biāo)定系數(shù)k1=180.87(Pa·m2)和k2=252.91(Pa·m2)。標(biāo)定擬合曲線見圖4。

1.4 載荷譜采集

實(shí)車載荷譜采集采用3種典型極限工況，即8字回轉(zhuǎn)工況、原地駐車轉(zhuǎn)向工況、轉(zhuǎn)向輪堵轉(zhuǎn)工況。這3種工況下，轉(zhuǎn)向節(jié)臂受力狀況較為惡劣。

8字回轉(zhuǎn)工況是汽車在以最低擋全速開動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行8字回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。原地駐車轉(zhuǎn)向工況是將汽車駐停在水泥路面上原地進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，左右轉(zhuǎn)向至極限位置。轉(zhuǎn)向輪堵轉(zhuǎn)工況是將汽車轉(zhuǎn)向輪駐停在轉(zhuǎn)向30°角位置，并用石塊抵住轉(zhuǎn)向輪，進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向至極限位置。

將之前標(biāo)定過的轉(zhuǎn)向直拉桿裝配在試驗(yàn)車上，進(jìn)行實(shí)車載荷譜的采集試驗(yàn)。裝配實(shí)車的轉(zhuǎn)向直拉桿的狀態(tài)見圖5。數(shù)據(jù)采集儀器仍然采用HBM-Somat-eDAQ多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀。

轉(zhuǎn)向輪堵轉(zhuǎn)工況試驗(yàn)見圖6。道路載荷譜采集設(shè)備見圖7。

1.5 數(shù)據(jù)處理

實(shí)車載荷譜采集試驗(yàn)后，采用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件Ncode6對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)于3種工況，得出的原始應(yīng)變數(shù)據(jù)時(shí)域曲線分別見圖8、圖9、圖10。其中上半部分曲線代表1點(diǎn)的應(yīng)變曲線，下半部分曲線代表2點(diǎn)的應(yīng)變曲線。

將公式(1)編入數(shù)據(jù)處理軟件Ncode6的處理程序中，計(jì)算得出這3種工況的轉(zhuǎn)向直拉桿的受力情況，其時(shí)域曲線見圖11、圖12和圖13。其中，紅色或粉色曲線代表1點(diǎn)載荷，藍(lán)色或綠色曲線代表2點(diǎn)載荷。通過1點(diǎn)和2點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)比以及顯示的曲線可以看出，兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)重合性較好，則標(biāo)定結(jié)果較為準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)可靠。

除了這3種典型轉(zhuǎn)向工況之外，還采集了測(cè)試車輛在普通水泥路面行駛時(shí)轉(zhuǎn)向直拉桿的應(yīng)變譜，提取了1點(diǎn)載荷譜進(jìn)行處理，得出一段典型小幅值[3]載荷的載荷譜曲線，見圖14。小幅值載荷可以認(rèn)為是路面不平等原因造成的轉(zhuǎn)向節(jié)臂的受力，是隨機(jī)載荷，與轉(zhuǎn)向工況的受力有本質(zhì)區(qū)別。圖中所示峰、谷值分別為2 254和88.9 N，這相對(duì)于3種典型轉(zhuǎn)向工況的16 700～48 467 N的幅值來說非常小，這對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的疲勞壽命影響非常小。而轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞壽命的根本影響因素是轉(zhuǎn)向時(shí)的受力。

1.6 試驗(yàn)載荷譜

3種典型工況基本涵蓋了車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)最惡劣的轉(zhuǎn)向工況，這種狀態(tài)忽略了實(shí)際道路上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂所受的小幅載荷。因此，可以將3種典型轉(zhuǎn)向工況下的轉(zhuǎn)向直拉桿載荷譜作為轉(zhuǎn)向節(jié)臂臺(tái)架加速疲勞試驗(yàn)載荷譜的源譜，而且將利用這個(gè)試驗(yàn)載荷譜進(jìn)行臺(tái)架加速疲勞試驗(yàn)得出的轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞壽命認(rèn)為等同于實(shí)際道路上的使用壽命是可信的。

根據(jù)3種典型轉(zhuǎn)向工況下采集得到的載荷譜和疲勞累積損傷等效原則，采用數(shù)據(jù)處理軟件Ncode6進(jìn)行處理，確定了轉(zhuǎn)向節(jié)臂的疲勞試驗(yàn)輸入載荷譜，見圖15。其中負(fù)載荷表示左轉(zhuǎn)向，正載荷表示右轉(zhuǎn)向。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)

2.1 疲勞試驗(yàn)

固定方式模擬實(shí)車狀態(tài)，加載位置位于轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷安裝孔處，加載方向垂直于轉(zhuǎn)向節(jié)臂軸線方向。疲勞試驗(yàn)臺(tái)架見圖16。試驗(yàn)設(shè)備采用PLS-LB50電液伺服構(gòu)件試驗(yàn)系統(tǒng)。

疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了兩輪，每輪試驗(yàn)采用3個(gè)樣件進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

第一輪試驗(yàn)，3個(gè)樣件均出現(xiàn)裂紋，裂紋位置為轉(zhuǎn)向節(jié)臂根部，出現(xiàn)裂紋的循環(huán)次數(shù)在250 000～280 000次之間，經(jīng)分析是疲勞裂紋。這個(gè)結(jié)果并不滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。裂紋見圖17。據(jù)此，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、工藝和材料的改進(jìn)。裂紋處尺寸加厚，增大了倒圓直徑；提高了零件表面加工質(zhì)量；在不大幅增加成本的基礎(chǔ)上選用機(jī)械性能更好的原材料。

第二輪試驗(yàn)，3個(gè)樣件均采用改進(jìn)后的樣件。試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)檢查3個(gè)樣件均未出現(xiàn)裂紋及其他損壞現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

3 結(jié)論

試驗(yàn)輸入載荷譜通過典型轉(zhuǎn)向工況轉(zhuǎn)向直拉桿實(shí)車載荷譜采集及其臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定獲得。這種獲得載荷譜的方式與“進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)或分析+直接在轉(zhuǎn)向節(jié)臂上貼應(yīng)變片測(cè)力”的方式更簡(jiǎn)便有效，亦比近年來普遍采用的CAE分析計(jì)算方法得出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，而且獲得的數(shù)據(jù)具有典型性。

根據(jù)采集得到的載荷譜和疲勞損傷累積等效原則確定了轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)輸入載荷譜，有效應(yīng)用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)，取得了良好的效果。

通過試驗(yàn)，找出轉(zhuǎn)向節(jié)臂可能出現(xiàn)的疲勞失效的位置，然后對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞試驗(yàn)結(jié)果滿足質(zhì)量要求。

CAE仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)可相互驗(yàn)證，暫未進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)臂的疲勞仿真工作，今后如要進(jìn)行仿真試驗(yàn)，可采用文中的載荷譜作為輸入載荷。

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ResearchonFatigueTestofHeavyCommercialVehicleSteeringKnuckleArm

CHEN Jun,SHEN Juan,TANG Chunpeng,ZHAO Ying,ZHANG Xu,XU Wenya

(China Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd.，Chongqing 401122,China)

Steering knuckle arm is a key part of a heavy commercial vehicle steering knuckle. Its fatigue performance directly affects the vehicle reliability and safety. The steering knuckle arm fatigue test input load confirmation and the bench test were discussed. Via steering drag link calibration and typical steering conditions tests, the fatigue test input load of the steering knuckle arm was determined. In terms of the load spectrum and the equivalence principle of accumulative fatigue damage, the steering knuckle arm fatigue test input load spectrum was formulated. According to this, the steering knuckle arm fatigue performance validation tests were carried out. The fatigue performance of steering knuckle arm was effectively verified, and the potential failure position was found. So the steering knuckle arm was improved based on this result. At last, fatigue performance of the steering knuckle arm, which had been improved, was verified via bench test.

Steering knuckle arm; Calibration; Fatigue test; Load spectrum

2015-01-13

陳軍(1976—)，男，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師。E-mail：chenjun@caeri.com.cn。