汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性臺(tái)架試驗(yàn)研究

郝雯婧

（上海匯眾汽車制造有限公司，上海 200122）

引言

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，它與汽車懸架、前車軸、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及制動(dòng)器總成相連，具有承載汽車前部載荷，支撐并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，及實(shí)現(xiàn)汽車靈活轉(zhuǎn)向和正常行駛的作用。[1-2]轉(zhuǎn)向節(jié)的可靠性直接影響到汽車的正常行駛和車載人員的生命安全，特別是轉(zhuǎn)向節(jié)在汽車行駛狀態(tài)下要受到多變的沖擊載荷，因此對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度、剛度及各方面力學(xué)性能有更高的要求。所以在產(chǎn)品研發(fā)周期過程中，最重要的工作之一就是對(duì)其產(chǎn)品驗(yàn)證疲勞壽命是否能夠滿足各種工況的需要。

轉(zhuǎn)向節(jié)不僅承受前軸載荷，還承擔(dān)地面沖擊、車輪側(cè)滑、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等產(chǎn)生的載荷，因此，要求其具有很高的強(qiáng)度。近年來，我國的汽車工業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的重要時(shí)期，隨著各種車型開發(fā)速度加快，車型的研發(fā)周期日趨縮短，不斷加強(qiáng)轉(zhuǎn)向節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)的研發(fā)力度，提高轉(zhuǎn)向節(jié)力學(xué)性能滿足各種路況需要，已成為汽車行業(yè)發(fā)展的迫切需求。國內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，并對(duì)其做了臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)，結(jié)果表明轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)完全滿足工況要求，同時(shí)也驗(yàn)證了其他學(xué)者分析的有限元分析可靠性。[3-4]

本文通過對(duì)某款汽車轉(zhuǎn)向節(jié)不滿足可靠性試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究分析，對(duì)不滿足極限應(yīng)力、極限扭矩等情況查找原因，并對(duì)其改善，最終使其產(chǎn)品成功通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足各種路況需求。

1 臺(tái)架試驗(yàn)

汽車行駛系零件的載荷主要取決于車輪與路面間的相互作用力，對(duì)行駛系零件進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)主要以汽車滿載行駛的一些極限工況，如緊急制動(dòng)、側(cè)滑、越過路面障礙等。

轉(zhuǎn)向節(jié)承受來自轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)向力、制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力以及車輪傳遞來的支承載荷、沖擊載荷、滾動(dòng)阻力等各種形式的載荷。對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度分析可以按照汽車行駛系零件的工況和載荷，目的就是判斷轉(zhuǎn)向節(jié)的最大應(yīng)力是否會(huì)超過強(qiáng)度極限，是否會(huì)發(fā)生斷裂失效。針對(duì)汽車行駛過程和汽車實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)有關(guān)要求，按照汽車行駛時(shí)的三種典型工況（即三種危險(xiǎn)工況）及三種危險(xiǎn)工況的組合工況進(jìn)行轉(zhuǎn)向節(jié)的強(qiáng)度分析計(jì)算。

汽車行駛的三種典型工況及組合工況的載荷為：

（1）汽車越過障礙路面工況，此時(shí)受到垂直方向的沖擊載荷，動(dòng)載系數(shù)最大；

（2）汽車緊急制動(dòng)工況，此時(shí)汽車動(dòng)載系數(shù)較小，受到制動(dòng)力和縱向慣性載荷；

（3）汽車轉(zhuǎn)向側(cè)滑工況，汽車動(dòng)載系數(shù)較小，受到側(cè)向力及轉(zhuǎn)矩。

（4）組合工況：即汽車在障礙路面上緊急制動(dòng)且轉(zhuǎn)向側(cè)滑，同時(shí)承受到三種典型工況的載荷。

圖1 制動(dòng)左后輪幫助汽車轉(zhuǎn)向Fig.1 Brake left rear wheels to help car steering

1.1 制動(dòng)力

按原裝置將車輪軸承、球鉸鏈、轉(zhuǎn)向橫拉桿外關(guān)節(jié)和制動(dòng)裝置的組件整合在一起。為了傳輸所需的制動(dòng)扭矩，比如說，可以將制動(dòng)片與制動(dòng)盤鉆孔并用螺栓彼此擰緊。

另外可以選擇的是，使用鉸鏈結(jié)構(gòu)替代品，將制動(dòng)扭矩傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向節(jié)上。對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)測試件施加的負(fù)荷必須是一致的，減振器可用抗彎管取代，并通過關(guān)節(jié)將其定位到上減振器支承（運(yùn)動(dòng)點(diǎn)）的區(qū)域內(nèi)。轉(zhuǎn)向橫拉管和橫向?qū)U可以利用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件替代，并鉸接放置在一起。通過車輪替代品將制動(dòng)力施加到結(jié)構(gòu)件上。負(fù)荷施加的作用線與車輛坐標(biāo)系的X軸方向相同。在引導(dǎo)施力的過程中，不得影響轉(zhuǎn)向節(jié)變形,在施力路線上，需要2個(gè)關(guān)節(jié)。車輛以0.6g加速度緊急制動(dòng)情況分析：

圖2 汽車輪胎實(shí)際路況受力分析圖Fig.2 Analysis of actual road surface stress of automobile tire

如圖所示，根據(jù)汽車實(shí)際相關(guān)參數(shù)，在計(jì)算汽車以加速度為0.6g緊急制動(dòng)情況下，以整車的質(zhì)心為原點(diǎn)，在保證每車輪在制動(dòng)過程中所承受縱向力相等的情況下，對(duì)車輛受力平衡分析，設(shè)滿載時(shí)整車質(zhì)量為M。

由制動(dòng)減速度產(chǎn)生的慣性力為：

單個(gè)前輪所受的制動(dòng)力為：

1.2 側(cè)動(dòng)力

按照?qǐng)D2～圖3所示在車輛設(shè)計(jì)位置放置轉(zhuǎn)向節(jié)，對(duì)于帶有法蘭厚度集成制動(dòng)盤的車輪軸承，使用其仿形件也是可行的。在轉(zhuǎn)向節(jié)裝夾在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上時(shí)，要保證轉(zhuǎn)接器與轉(zhuǎn)向節(jié)的連接必須與原裝車輪軸承一致。

側(cè)向力要在車輪軸承中下方位置施加到車輪替代品中（XS=0），施加負(fù)荷的作用線與車輛坐標(biāo)系的Y軸方向一致。在引導(dǎo)施力的過程中，不得影響轉(zhuǎn)向節(jié)變形，同時(shí)在施力路線上，需要2個(gè)關(guān)節(jié)。

車輛以 0.4g 側(cè)向加速度轉(zhuǎn)彎情況分析：

圖3 側(cè)向力輪胎受力分析Fig.3 Force analysis of lateral force tire

如圖所示，根據(jù)汽車實(shí)際相關(guān)參數(shù)，在計(jì)算汽車以加速度為0.4g緊急轉(zhuǎn)彎情況下，可知左、右車輪受到的地面?zhèn)认蛄Σ煌瑑?nèi)側(cè)車輪所受到的垂向力小于外側(cè)車輪所受到的力。設(shè)前軸載荷 Mf，左、右兩側(cè)車輪側(cè)向反力的變化量

外側(cè)車輪垂向力為：

內(nèi)側(cè)車輪垂向力為：

1.3 轉(zhuǎn)向節(jié)臂

如圖4所示，按照運(yùn)轉(zhuǎn)方式將轉(zhuǎn)向節(jié)牢牢固定在車輪軸承座上。轉(zhuǎn)向節(jié)與試驗(yàn)裝置的接觸方式同轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪軸承的接觸方式一致，通過轉(zhuǎn)向橫拉桿外關(guān)節(jié)給轉(zhuǎn)向節(jié)臂施力。轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)關(guān)節(jié)的位置應(yīng)滿足以下要求，即施加負(fù)荷的作用線垂直于車輪軸承法蘭面。

如果在車輛中利用轉(zhuǎn)向節(jié)裝配了不同的球鉸鏈樞軸，那么必須在測試時(shí)使用最長的樞軸變型。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)臂試驗(yàn)裝置Fig.4 Steering knuckle arm test device

1.4 試驗(yàn)要求

為殘余幾率Pü=50%計(jì)算循環(huán)數(shù)Nerf，并將其視為平均值。在達(dá)到失效判據(jù)之前，應(yīng)一直按照?qǐng)D紙中規(guī)定的負(fù)荷水平進(jìn)行測試。當(dāng)循環(huán)數(shù)達(dá)到Nmax=Nerf×5時(shí)，可以中斷測試。對(duì)于擬合線（結(jié)構(gòu)件疲勞曲線）的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)偏差，要求Slog,N≤0.20。測得的結(jié)構(gòu)件疲勞曲線不得在循環(huán)數(shù)<2×106的范圍內(nèi)與按照平均值要求得出的疲勞曲線相交。

2 臺(tái)架負(fù)荷試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)

在可調(diào)節(jié)力度的伺服液壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，要使用應(yīng)力時(shí)間信號(hào)，必須在迭代過程中為試驗(yàn)臺(tái)生成這些信號(hào)。同時(shí)，應(yīng)確保同時(shí)同步施加負(fù)荷。

在0到40 Hz的頻率范圍內(nèi)，在以下內(nèi)部測量位置上進(jìn)行迭代：

→ 轉(zhuǎn)向橫拉桿力

→ 球鉸鏈縱向力

→ 球鉸鏈側(cè)向力

如果測試件由鑄鋼或球墨鑄鐵制成，那么試驗(yàn)必須在干燥的環(huán)境下進(jìn)行。如果測試件由鋁材制成，那么必須通過以下腐蝕循環(huán)對(duì)零件進(jìn)行試驗(yàn)：5分鐘的氯化鈉水溶液噴灑（重量百分比為5%的氯化鈉）與25分鐘的烘干交替進(jìn)行。

2.2 負(fù)荷示意圖

將轉(zhuǎn)向節(jié)固定在車輛設(shè)計(jì)位置（見圖5）。在試驗(yàn)中施加以下3個(gè)負(fù)荷：制動(dòng)力、側(cè)向力、縱軸扭矩。通過兩個(gè)側(cè)向力缸的模態(tài)連接F3K-S1和F3K-S2，圍繞縱軸產(chǎn)生側(cè)向力和扭矩。

2.3 試驗(yàn)測試信號(hào)要求

為殘余幾率Pü= 50%計(jì)算所需要的信號(hào)重復(fù)數(shù)Werf，并將其視為平均值。

在不超過失效判據(jù)的情況下，應(yīng)證明信號(hào)重復(fù)數(shù)Werf結(jié)果的離散值不得超過Slog= 0.20。

圖5 負(fù)荷測試示意圖Fig.5 Schematic diagram of load test

2.4 抽樣和失效依據(jù)

應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的左側(cè)和右側(cè)分別進(jìn)行測試，對(duì)于測試負(fù)荷，應(yīng)在雙對(duì)數(shù)沃勒?qǐng)鲋?，根?jù)回歸直線、斜率k和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差Slog對(duì)結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)裂紋前的交變進(jìn)行分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采用計(jì)算方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

同時(shí)，在試驗(yàn)中，還要記錄出現(xiàn)裂紋地點(diǎn)和位置、各個(gè)損傷圖上相關(guān)的行駛里程損傷圖片（例如裂紋、變形、螺栓連接的打滑或松動(dòng)），及裂紋的擴(kuò)大方向等。

2.5 球鉸鏈支座

球鉸鏈的作用是將轉(zhuǎn)向節(jié)及轉(zhuǎn)向節(jié)臂替代件鏈接到試驗(yàn)臺(tái)架上，按照運(yùn)轉(zhuǎn)方式將轉(zhuǎn)向節(jié)牢牢固定在車輪軸承座上。轉(zhuǎn)向節(jié)與試驗(yàn)裝置的接觸方式同轉(zhuǎn)向節(jié)與車輪軸承的接觸方式一致。

圖6 球鉸鏈拉伸試驗(yàn)裝置Fig.6 Ball hinge tensile test device

測試支座要傾斜放置，使Z軸成α角（見圖6）。通過原裝的球鉸鏈樞軸進(jìn)行施力。仿照車輛中的裝配，按照最新數(shù)據(jù)表中的有效信息用螺栓擰緊該部件。如果在車輛中利用轉(zhuǎn)向節(jié)裝配了不同的球鉸鏈樞軸，那么在測試時(shí)必須使用較短的樞軸變型，因?yàn)槟艹袚?dān)較高載荷。拉力為Fzug,FG的條件下不允許出現(xiàn)裂紋或斷裂。對(duì)施力點(diǎn)進(jìn)行卸荷后，允許有< 1 mm的塑性變形量。

當(dāng)作用力大于Fzug,FG時(shí)，失效性能必須符合“故障安全原則”。也就是說，開裂或斷裂前，樞軸或轉(zhuǎn)向節(jié)上必須出現(xiàn)明顯的塑性變形。

開裂或斷裂前的變形量 SB必須大于圖紙中所要求的值Szug,FG。

其中：

?

3 試驗(yàn)結(jié)果

分別在不同的坐標(biāo)和不同的樣件批次試驗(yàn)條件下，進(jìn)行左右側(cè)輕載和重載的測量實(shí)驗(yàn)，得出韋勒曲線如圖7所示。

同時(shí)，將ANSYS軟件中的PDS模塊應(yīng)用到轉(zhuǎn)向節(jié)的可靠性分析中，在可靠性分析中，考慮了轉(zhuǎn)向節(jié)的各種隨機(jī)因素，如材料不均勻性，結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機(jī)性等，使分析更加接近實(shí)際情況，從而使結(jié)果更可靠。分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向節(jié)在組合工況下的可靠度為0.997。

圖7 韋勒曲線Fig.7 Weller curve

4 結(jié)語

?

經(jīng)試驗(yàn)測得結(jié)果分析，轉(zhuǎn)向節(jié)在臺(tái)架上安裝位置的精度的要求較高，且位置不可動(dòng)，測得強(qiáng)度剛度滿足使用要求，同時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)準(zhǔn)確性也決定測量誤差，決定測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在試驗(yàn)載荷與試驗(yàn)次數(shù)中引入對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差 Slog和韋勒曲線斜率 k，更有利于科學(xué)的評(píng)鑒疲勞性能，保證轉(zhuǎn)向節(jié)的安全可靠，且符合未來向標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化的發(fā)展趨勢。

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