汽车转向节疲劳寿命分析和试验研究

杨苍禄 ，朱传敏 ，刘 素 ，滕 飞

(1．同济大学机械与能源工程学院，上海200120;2．上海特兰斯美逊仪器仪表有限公司，上海200030)

0 引 言

汽车转向节是汽车转向桥上的主要零件之一。在汽车行驶状态下，转向节承受着多变的冲击载荷，其疲劳损伤问题日益突出，疲劳破坏是汽车转向节在实际工作中主要存在的问题［1］。国内外大量文献研究了转向节强度失效的原因，通过对失效件开展化学分析及金相检查等，认为转向节强度失效的主要原因是疲劳断裂。因此，对转向节强度的研究从满足静强度要求向满足疲劳强度等方向发展［2］。通过对国内外研究现状的总结分析，发现对汽车转向节的研究很多都是利用计算机分析技术以及结合相关的经验方法开展的理论研究，对研究理论的实验验证相对缺乏，对这一问题可以基于实际条件开展汽车转向节的实验研究，对研究理论和经验方法的可行性进行验证，完善汽车转向节设计开发过程中理论结合实践的技术路线，这对转向节疲劳损伤问题的研究有较大的帮助。

本研究通过建立某车型汽车转向节构件的有限元模型，针对不同工况开展静强度分析，应用有限元方法对设计模型进行疲劳分析，并完成疲劳耐久性试验。以验证有限元分析方法进行汽车转向节疲劳分析的可行性。

1 汽车转向节结构分析与建模

汽车转向节是连接汽车转向系统和悬架系统的关键零件，在汽车底盘所处的位置和特定的功能使转向节的结构形状比较复杂，集中了轴、套、盘环、叉架等4类零件的结构特点，是一个复杂的空间受力件，对其结构进行有限元分析的重要性和代表性尤其突出［3］。

分析中应用的有限元模型是运用HyperMesh(version 11．0)生成的，模型节点数为201430，单元数为175498。转向节模型如图1 所示。

图1 汽车转向节的有限元模型

该转向节选用的材料是A356-T6 铝合金。其材料属性如表1 所示。

表1 A356-T6 铝合金材料属性

2 汽车转向节工况分析

在汽车行驶状态下，转向节承受着包括负载、约束及路面传递的冲击等交变载荷，受力情况复杂［4］。本研究选择紧急制动工况、转向侧滑工况，以及控制臂加载进行分析［5］。

前向紧急制动产生的垂直载荷:

前向紧急制动产生的径向载荷:

反向紧急制动产生的垂直载荷:

反向紧急制动产生的径向载荷:

紧急转向的内侧载荷:

紧急转向的外侧载荷:

紧急转向的垂直载荷:

控制臂拉杆试验载荷:

表2 参数定义

整车相关参数如表3 所示。经过计算得汽车转向节输入载荷如表4 所示。换算后得到不同状况下的最大Von Mises 应力值［6-7］如表5 所示。同时根据各工况的载荷要求在模型的对应部位加载作用力，并执行有限元求解命令，得到相应的应力云图［8］，以控制臂加载为例，应力云图如图2 所示。

通过对比材料的强度极限，最大应力值都在材料的承受范围内。

表3 整车主要技术参数

表4 转向节输入载荷

表5 不同状况下的最大Von Mises 应力值

图2 转向节控制臂加载应力云图

3 汽车转向节疲劳分析

为了考察汽车转向节的耐久性，本研究利用有限元方法对汽车转向节紧急制动、转向侧滑和控制臂加载3 种待试验状态进行疲劳分析，分析结果如表6 所示。

表6 转向节疲劳分析结果

汽车转向节疲劳分析云图如图(3～5)所示。

图3 紧急制动疲劳分析云图

4 汽车转向节疲劳试验

为了验证汽车转向节有限元疲劳分析的结果，本研究进行了汽车转向节疲劳试验。

图4 转向侧滑疲劳分析云图

图5 控制臂疲劳分析云图

4．1 汽车转向节疲劳试验装置

针对选取车型的制动部件设计制造了疲劳试验装置，实验图如图(6～8)所示。名称为制动角耐久试验台，主要包括零件夹持部分、加载部分和测试部分，试验软件是MTS Flex Test。

图6 DCT-02 疲劳试验装置

图7 DCT-04 疲劳试验装置

图8 DCT-07 疲劳试验装置

4．2 汽车转向节疲劳试验

汽车转向节在试验台上安装要牢固可靠，各连接和加载部位不得出现松动。疲劳试验全部完成后，转向节样件还需经过100%的X 光射线探伤检测及磁粉探伤检测，具体探伤检测方法按JB/T 4730—2005《承压设备无损检测》标准执行［9］。由于该试验是结论验证试验，并非为了得到准确的S-N 曲线，下面各工况的试验试件数量选取10 件［10-11］。

4．2．1 紧急制动疲劳试验

紧急制动疲劳试验如图6 所示。可以测定转向节在重复紧急制动载荷作用下的疲劳性能［12］。

(1)试验要求:按照表4 的载荷数据和施加方向，以三次前向制动，一次反向制动作为一个循环，频率采用3 Hz。转向节必须满足所有试件通过5 000 次循环(5 000 次前向制动和1 668 次后向制动)后，没有裂纹出现。

(2)试验结果:所有转向节试件经过5 000 次循环后未出现裂纹。

4．2．2 转向侧滑疲劳试验

转向侧滑疲劳试验如图7 所示。可以测定转向节在重复转向侧滑载荷作用下的疲劳性能。

(1)试验要求:按照表4 的载荷数据和施加方向，采用载荷比1∶1，频率3 Hz。转向节必须满足所有试件通过5 000 次循环后，没有裂纹出现。

(2)试验结果:所有转向节试件经过5 000 次循环后未出现裂纹。

4．2．3 控制臂疲劳试验

控制臂疲劳试验如图8 所示。可以测定控制臂的疲劳性能。

(1)试验要求:按照表4 的载荷数据和施加方向，采用载荷比1∶1，频率10 Hz。转向节必须满足所有试件通过300 万次循环后，没有裂纹出现。

(2)试验结果:所有转向节试件经过300 万次循环后未出现裂纹。

5 结束语

本研究通过对汽车转向节设计模型进行有限元疲劳分析，得到相对可靠的零部件预测寿命，利用疲劳试验装置完成了疲劳耐久性试验，试验结果验证了有限元模型、静强度分析以及疲劳寿命分析结果的准确性。

一系列完整的分析过程和试验结果表明转向节完全满足设计要求，验证了有限元分析方法进行汽车转向节静强度分析和疲劳分析的可行性，研究成果对汽车转向节开发有指导意义。

［1］江迎春，陈无畏．基于ANSYS 的轿车转向节疲劳寿命分析［J］．汽车科技，2008(3):32-36．

［2］袁 旦．汽车转向节有限元分析与优化设计［D］． 杭州:浙江工业大学机械工程学院，2008．

［3］蒋 玮．转向节有限元分析及试验验证［J］．车辆与动力技术，2008(4):5-8．

［4］许 志．汽车转向节可靠性及灵敏度分析［D］． 杭州:浙江工业大学机械工程学院，2012．

［5］冯美斌． 转向节的强度和实验［J］． 汽车科技，1994(5):16-18．

［6］郭彬彩．STEYR 转向节建模与强度分析［J］．河南科学，2006(2):272-273．

［7］周英雄，王 勇，宋 烨．高速动车转向架构架静强度试验和仿真研究［J］．机械，2014(7):7-11．

［8］杨保利，李 兴，柴海泽．CAE 在汽车前转向节设计中的应用［J］．科技与企业，2014(8):299．

［9］周 宁，李 磊． 轿车用转向节试验方法［J］． 汽车工程师，2011(8):44-46．

［10］陈建国，袁海兵．汽车转向轴扭转疲劳试验台开发［J］．机电工程技术，2013(12):11-13．

［11］杨晓东，雷宏刚．疲劳试验研究的动态评述［J］．科学之友，2008(4):109-111．

［12］刘素红． 基于SFEM 的汽车转向节疲劳可靠性研究［D］．杭州:浙江工业大学机械工程学院，2010．