重型商用车转向节臂疲劳试验研究

陈军，申娟，唐春蓬，赵赢，张旭，徐文雅

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

重型商用车转向节臂疲劳试验研究

陈军，申娟，唐春蓬，赵赢，张旭，徐文雅

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

转向节臂是重型商用车转向节的关键零部件，其疲劳性能直接影响整车的可靠性和安全性。对转向节臂疲劳试验输入载荷谱的确定和台架试验进行了研究。通过标定转向直拉杆和采集典型转向工况实车载荷谱确定了转向节臂疲劳试验的输入载荷。根据采集到的载荷谱和疲劳累积损伤等效原则制定了转向节臂疲劳试验输入载荷谱，并据此进行了转向节臂的疲劳性能验证试验。疲劳试验有效验证了转向节臂的疲劳性能，找出了可能出现失效的部位，为转向节臂的改进提供了依据。最后对改进过的转向节臂进行了疲劳性能的台架试验验证。

转向节臂；标定；疲劳试验；载荷谱

0 引言

转向节是汽车重要部件，位于转向轮上，是转向系统关键部件。转向节受力复杂，工况恶劣，对汽车的操纵稳定性、行驶安全性起着重要的作用。重型商用车转向节臂是转向节总成的关键零部件，其疲劳性能的好坏直接影响汽车的安全性和可靠性。在汽车道路试验之前验证转向节臂疲劳性能的方式有CAE仿真试验和台架试验。而试验的输入载荷的确定方法近几年采用较多的是“CAE分析法”或者“CAE分析+试验法”。在查到的文献中，基本思路是在典型路况而非典型转向工况下对转向节臂进行疲劳强度研究[1]，试验载荷谱的确定方法是首先对转向节臂进行静强度分析[2]或台架试验得出可能出现损坏的最大载荷和部位，然后在该部位粘贴应变片测力[1]并进行疲劳分析。转向节臂的主要受力是在转向时受到的载荷，通过典型路况获得的结果不具有典型性，而且试验载荷谱的确定过程亦不够简便。文中将对典型转向工况下重型商用车转向节臂台架疲劳试验进行研究。

1 输入载荷的确定

欲进行转向节臂疲劳试验，其输入载荷必须首先确定。文中通过采集满载配重后的实车转向直拉杆载荷谱来确定该输入载荷。

1.1 转向节臂受力分析

转向节臂与转向直拉杆通过拉杆球头相连接。转向直拉杆为二力杆，与转向节臂的受力关系为作用力和反作用力，因此转向节臂的输入载荷大小等于转向直拉杆的轴向载荷大小，两者方向相反。见图1。

1.2 贴片位置

可以通过采集转向直拉杆的载荷确定转向节的输入载荷。因此，应变片粘贴位置定为转向直拉杆的两端轴向方向。转向直拉杆贴片位置见图2。

1.3 转向直拉杆的标定

由于实车载荷谱采集的信号是应变，不能直接得出载荷的大小，因此，在进行载荷谱采集之前应对转向直拉杆进行标定，确定其受力与应变之间的线性关系，得出系数k。通过这个系数，对采集的信号进行处理就可以得出转向直拉杆的受力，从而获得转向节的输入载荷。其计算方法见公式(1)：

F输入=-F直拉杆=-k·ε

(1)

其中：F输入为转向节臂输入载荷，F直拉杆为转向直拉杆所受载荷，k为标定得出的系数，ε为应变。标定试验在台架上进行，试件为转向直拉杆，模拟实车状态进行安装。数据采集仪器采用HBM公司的HBM-Somat-eDAQ多通道动态信号采集仪。试验设备采用SBN-100ST-I重型车球销试验台。标定试验台架见图3。

通过对转向直拉杆进行多组载荷的加载，得出一系列的应变数据，通过拟合载荷-应变曲线得出转向直拉杆两端的标定系数k1=180.87(Pa·m2)和k2=252.91(Pa·m2)。标定拟合曲线见图4。

1.4 载荷谱采集

实车载荷谱采集采用3种典型极限工况，即8字回转工况、原地驻车转向工况、转向轮堵转工况。这3种工况下，转向节臂受力状况较为恶劣。

8字回转工况是汽车在以最低挡全速开动状态下进行8字回转试验。原地驻车转向工况是将汽车驻停在水泥路面上原地进行转向操作，左右转向至极限位置。转向轮堵转工况是将汽车转向轮驻停在转向30°角位置，并用石块抵住转向轮，进行左右转向至极限位置。

将之前标定过的转向直拉杆装配在试验车上，进行实车载荷谱的采集试验。装配实车的转向直拉杆的状态见图5。数据采集仪器仍然采用HBM-Somat-eDAQ多通道动态信号采集仪。

转向轮堵转工况试验见图6。道路载荷谱采集设备见图7。

1.5 数据处理

实车载荷谱采集试验后，采用专业数据处理软件Ncode6对原始数据进行处理。对于3种工况，得出的原始应变数据时域曲线分别见图8、图9、图10。其中上半部分曲线代表1点的应变曲线，下半部分曲线代表2点的应变曲线。

将公式(1)编入数据处理软件Ncode6的处理程序中，计算得出这3种工况的转向直拉杆的受力情况，其时域曲线见图11、图12和图13。其中，红色或粉色曲线代表1点载荷，蓝色或绿色曲线代表2点载荷。通过1点和2点的数据对比以及显示的曲线可以看出，两点的数据重合性较好，则标定结果较为准确，数据可靠。

除了这3种典型转向工况之外，还采集了测试车辆在普通水泥路面行驶时转向直拉杆的应变谱，提取了1点载荷谱进行处理，得出一段典型小幅值[3]载荷的载荷谱曲线，见图14。小幅值载荷可以认为是路面不平等原因造成的转向节臂的受力，是随机载荷，与转向工况的受力有本质区别。图中所示峰、谷值分别为2 254和88.9 N，这相对于3种典型转向工况的16 700～48 467 N的幅值来说非常小，这对转向节臂的疲劳寿命影响非常小。而转向节臂疲劳寿命的根本影响因素是转向时的受力。

1.6 试验载荷谱

3种典型工况基本涵盖了车辆在实际道路行驶时最恶劣的转向工况，这种状态忽略了实际道路上的转向节臂所受的小幅载荷。因此，可以将3种典型转向工况下的转向直拉杆载荷谱作为转向节臂台架加速疲劳试验载荷谱的源谱，而且将利用这个试验载荷谱进行台架加速疲劳试验得出的转向节臂疲劳寿命认为等同于实际道路上的使用寿命是可信的。

根据3种典型转向工况下采集得到的载荷谱和疲劳累积损伤等效原则，采用数据处理软件Ncode6进行处理，确定了转向节臂的疲劳试验输入载荷谱，见图15。其中负载荷表示左转向，正载荷表示右转向。

2 转向节臂疲劳试验

2.1 疲劳试验

固定方式模拟实车状态，加载位置位于转向节臂球销安装孔处，加载方向垂直于转向节臂轴线方向。疲劳试验台架见图16。试验设备采用PLS-LB50电液伺服构件试验系统。

疲劳试验进行了两轮，每轮试验采用3个样件进行试验。

2.2 试验结果

第一轮试验，3个样件均出现裂纹，裂纹位置为转向节臂根部，出现裂纹的循环次数在250 000～280 000次之间，经分析是疲劳裂纹。这个结果并不满足产品质量要求。裂纹见图17。据此，对转向节臂进行了结构、工艺和材料的改进。裂纹处尺寸加厚，增大了倒圆直径；提高了零件表面加工质量；在不大幅增加成本的基础上选用机械性能更好的原材料。

第二轮试验，3个样件均采用改进后的样件。试验结束后，经检查3个样件均未出现裂纹及其他损坏现象。试验结果满足产品质量要求。

3 结论

试验输入载荷谱通过典型转向工况转向直拉杆实车载荷谱采集及其台架试验标定获得。这种获得载荷谱的方式与“进行静强度试验或分析+直接在转向节臂上贴应变片测力”的方式更简便有效，亦比近年来普遍采用的CAE分析计算方法得出的数据更准确，而且获得的数据具有典型性。

根据采集得到的载荷谱和疲劳损伤累积等效原则确定了转向节臂疲劳试验输入载荷谱，有效应用于转向节臂疲劳试验，取得了良好的效果。

通过试验，找出转向节臂可能出现的疲劳失效的位置，然后对转向节臂进行质量改进。改进后的转向节臂疲劳试验结果满足质量要求。

CAE仿真试验和台架试验可相互验证，暂未进行转向节臂的疲劳仿真工作，今后如要进行仿真试验，可采用文中的载荷谱作为输入载荷。

【1】周宏钟,沈磊.基于某车型的转向节臂断裂的疲劳分析及优化[J].轻型汽车技术,2012(11):14-17.

【2】王延强.转向节和转向节臂疲劳强度研究[D].镇江:江苏大学，2007.

【3】朱涛,宋健,李亮.复现试验场工况的转向拉杆室内加速疲劳试验[J].公路交通科技，2010,27(2):129-132,137.

【4】姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京:国防工业出版社，2004.

【5】王若平,王延强,林军.汽车转向节臂疲劳仿真[J].拖拉机与农用运输车，2007, 34(2):37-38.

【6】王延强,王若平,林军.某型汽车转向节臂断裂原因分析[J].机械设计与制造，2007(6):126-127.

【7】《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册：试验篇[M].北京:人民交通出版社，2001.

【8】WANG Hongwei,YU Linlin.Strength Analysis of Steering Knuckle Arm on Veyron Car [J].Advanced Materials Research,2012,562/563/564:627-630.

【9】WANG Ruoping,FENG Pei,WANG Yanqiang.Analysis of Knuckle Arm’s Fatigue Life [J].Advanced Materials Research,2011,152/153:1346-1350.

【10】马宇，苏二伟.矿用转向节臂的结构强度有限元分析[J].煤矿机械，2011,32(9):77-78.

【11】徐学春,张杰刚,谢葳,等.40Cr合金钢汽车转向节臂断裂失效分析[J].热加工工艺，2013(2):207-208.

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

陈军(1976—)，男，工学学士，高级工程师。E-mail：chenjun@caeri.com.cn。