车辆控制臂疲劳损伤分析与寿命预测探讨

杨精刚

摘 要：近年来，随着社会的不断进步以及经济的迅猛发展，人民生活水平显著提升，车辆利用率逐年攀升，其重要性不容忽视。控制臂作为汽车悬挂系统的传力及导向元件，在整个车辆系统占据着关键的应用地位，其所具有的性能特性直接影响着汽车悬挂系统的综合性能，针对车辆构件由于疲劳问题产生过早失效破坏，造成失效概率大幅度增加的问题，为起到良好的预防作用，使得车辆疲劳耐久性能得以优化提升，则需针对车辆控制臂疲劳损伤分析及寿命预测进行简要探讨。

关键词：车辆；控制臂；疲劳损伤；寿命预测

前言

通常而言，控制臂同时又可被称作是摆臂，其在车辆悬挂系统占据着重要的地位，可谓是此系统中关键的安全功能构件，悬挂系统所具备的相应性能会受到控制臂质量的直接影响，进而使得整个车辆的操纵稳定性及行驶平稳性遭受一定影响，为此需控制优化控制臂构件，采用有限元方法针对车辆控制臂展开疲劳损伤分析及寿命预测。

1 车辆控制臂疲劳损伤分析与寿命预测

1.1 建立有限元模型

在车辆日常运行过程中，控制臂的作用主要为起到良好的承载作用，可谓是路面激励通过车轮传向车身的关键承载构件，通常而言，车辆控制臂所面临最为急迫严峻的问题为疲劳损坏，为更好地实现后续分析工作，则需构建相应的车辆三维模型，如图1所示，在副车架位置控制臂两点实现合理铰接，其中，一端球跟转向节低端进行连接，该处主要承受的是来自于轴头位置处的车轮侧、纵向力，与此同时，侧向力及纵向力基于相同平面。

1.2 确定构件损伤关键点

在该项工作实施中，为将车辆控制臂相应的荷载测试点位置及时确定下来，则需有效运用有限元分析软件，针对所构建的车辆控制臂三维模型展开合理的网格划分，结合实际结构情况，基于副车架连接点位置进行约束的有效添加，该处拥有围绕X轴转动的自由度，基于轴头连接位置處能够分别按照侧向以及纵向完成荷载的有效添加，在此需要注意的是侧向即指Y向，纵向即指X向，具体而言，侧向需结合急转弯状况实现荷载添加，纵向则能够根据制动状况完成添加荷载，而后实施合理的有限元分析工作，上图为车辆控制臂添加荷载之后的应力分布简图，分析可知，在车辆控制臂的第32867个节点位置处其对应的最大侧向荷载应力为302MPa，在车辆控制臂的第26401节点位置处其对应的最大纵向荷载应力是294MPa，也就是说分别是在转向节连接过渡位置及副车架后点连接过渡位置。

1.3 测试

在车辆实际运行进程当中，针对其控制臂构件所承受的荷载实现准确获取，结合相应的有限分析结果，能够将测点和相应的贴片布置方案及时确定下来，运用电阻应变计设备进行优化测试，电阻应变计的电阻是350欧姆，进行具体布置的时候需沿着受力方向实施对称布置。参考相应车辆耐久性试验测试规范，结合具体的车辆疲劳荷载谱获取目的，能够选择交通部公路交通试验场综合路况实施相应的荷载测试工作，测试软件为模块化数据采集系统，该系统的精度小于等于百分之一，相应的采样频率能够到达100kHz，为使所得试验结果拥有较高的科学可信程度，并将试验过程中所存在的主观因素直接影响直接消除，为此需实施六次重复试验，同时没进行两次便需完成一名驾驶人员的更换。

在具体的测试实施过程中，第一，首先需要完成的工作室配备试验车辆，选择测试道路，择取合适的车辆驾驶人员，具体来说，所选车辆的相应信息为额定荷载质量是1686千克，次车辆前轴及后轴能够满足52比48的比例需求，车辆轮胎对应的标准气压是230千帕，选择交通部公路试验场作为是试验道路，择取试车场驾驶员作为是试验车辆驾驶人员；第二，有效合理的相应的仪器设备，进行应变片的有效粘帖，将各类型传感器设施认真安装好，并实现在数据采集系统中的有效接入，将各个通道线组及时消除，进行通道名称及通道数量等相关参数的优化设置，采样频率能够设置为五百赫兹；第三，实施有效的预测试分析工作，具体来说，需择取相对较为典型的路程状况，针对多个小段信号实施采集工作，就信号的合理性及相应的完好程度展开优化观察；第四，针对道路相关的荷载情况实施合理测试，结合规定给出的路段及车速，需进行六次荷载信号测试，完成每次测试之后需针对具体的设备情况和数据信息实施及时合理的检测，由于此次测试仅仅针对的是车辆控制臂疲劳损伤问题，为此只针对控制臂对应的两个测点通道信号展开合理化分析。

如图4所示，在P1测试点，在石块路乙路况下，车辆控制臂拥有最大的应变均值，然而在石块路丙路况下，车辆控制臂对应的应变均值相对较大，所有的最大应变均值出现于石块路乙路况中；在P2测试点中，相较于P1测试点而言，其相应的应变均值相对较小，在扭曲路以及长波路段、石块路乙中会体现最大均值应用。

1.4 分析处理信号

通常而言，汽车试验场实际路况环境相对较为恶劣，运行工况有着很强的综合性，导致形成的荷载状态拥有较强的随机性特征。然而，就每个试验综合路况而言，其所形成荷载存在有一定的统计规律。对于车辆控制臂所产生的荷载测试信号，能够运用副值门限方法将异常峰值情况及时去除，实施功率谱分析措施。分析可得，车辆控制臂跟车轮一侧连接点的对应能量通常集中于四十赫兹之内，对应的共振频率是十四赫兹；车辆控制臂跟副车架连接点位置处的能量通常集中于十五赫兹，主频为2.1荷载，能够充分满足相应的车体结构振动频率范围要求。结合具体的功率谱密度实施有效分析，在实际的测试进程当中，车辆控制臂荷载测试的输出信号是低电平信号，与此同时，仍然存在有由于噪声干扰以及电压干扰等导致的不良信号，为此需采取相关有效措施进行优化处理，运用低通滤波手段能够针对所产生的测试信号实施滤波处理，对应频率分别设置为十五赫兹及四十赫兹，进而实现对车辆控制臂荷载测试信号的有效处理。

1.5 疲劳损伤分析及寿命预测

运用疲劳分析软件，结合相应的疲劳缺口系数，基于理论方式，能够进行车辆控制臂疲劳损伤及寿命预测程序的合理编制，经过一系列的合理计算，进而获得车辆控制臂的疲劳损伤分布情况。具体来说，如上图所示，P1测试点存在有相对较为严重的总体损伤情况，且通常是在石块位置出发生较大损伤问题，在试验测试场中石块路中存在有较多弯道情况，此处跟P1点受侧向力的工况有着较大一致性；P2测试点在扭曲路段及长波路段存在有相对较为集中其较大的损伤情况，尤其是在石块路段，该测点位置的损伤会突然加大，然而改点的小损伤值相对较为普遍一些。损伤值突然加大跟试验路段石块路弯道处加减速工况是有着直接必然联系，也就是说引起车辆控制臂纵向受力发生变化。分析可知，P1点寿命相较于P2点而言远远较大，主要原因在于P1点直接与车辆转向节相连而受到的路面载荷状况相符。根据测点损伤寿命计算结果可以指导P1点拥有最短寿命，即为3.96 万h，其能够代表车辆控制臂结构件的整体寿命。

2 结束语

对于车辆而言，控制臂构件占据着关键的应用地位，为针对其疲劳耐久性展开较为深入的研究，则需有效地实施疲劳损伤及寿命预测分析工作。基于有限元分析手段，能够将车辆控制臂疲劳损伤位置较为准确合理地确定下来，使得相应的荷载测试工作能够拥有可靠的测点位置，即为车辆控制臂跟副车架及轴头的连接的过渡位置处，提及车辆控制臂荷载测试相应的信号处理分析进程，将其低通滤波频率分别确定为四十赫兹及十五赫兹，通过一系列有效分析之后能够指导荷载信号频率能量在十五赫兹较为集中，且所得结果能够满足车体结构频率范围要求；运用局部应力应变法与疲劳积累损伤准则，有效地集中修正控制臂疲劳缺口应力，认真实现车辆控制臂疲劳损伤分析及寿命预测工工作，可知试验车辆的控制臂疲劳损伤寿命是3.96万小时，相较于试验场对应的实际道路状况而言，其损伤分布的符合程度较高。该项分析能够为车辆构件耐久性研究提供良好基础，尽可能避免车辆控制臂发生过早失效情况。

参考文献

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