某转向直拉杆臂失效分析

代天才，冯喜成，孔文，黄运强

(东风德纳车桥有限公司产品研发中心，湖北襄阳 441057 )

某转向直拉杆臂失效分析

代天才，冯喜成，孔文，黄运强

(东风德纳车桥有限公司产品研发中心，湖北襄阳 441057 )

运用有限元软件MSC.Nastran，对某商用车前桥所用转向直拉杆臂进行模拟分析，分析结果中转向直拉杆臂应力极值点和客户使用过程失效模式有一定差异；接着利用非线性有限元软件MSC.Marc，采用接触方案，对该转向直拉杆臂重新进行分析，计算结果的应力极值点和客户失效部位吻合。为了验证后者方案的正确性，对该转向直拉杆臂进一步进行台架试验，该臂台架失效部位和分析结果应力最大部位一致，再次验证了非线性方法的正确性。进而通过该方法来分析此类臂零件，降低产品整体应力水平，提升产品可靠性。

有限元分析；非线性；失效模式；直拉杆臂

0　引言

可靠性是汽车最基本、最重要的性能指标之一，也是一个重要的产品质量指标。可靠性是设计和制造人员一致追求的目标，即使是等寿命设计，设计人员也希望产品在服役期间满足设定寿命，不出现产品的早期失效。文中是针对某商用车转向直拉杆臂进行失效分析，主要结合MSC有限元软件，探索搜寻合理有限元分析方法，并通过实验验证该方法的可行性。

汽车在转向过程中，驾驶员的指令需要经过转向机，通过转向系统传达到转向轮端，而转向直拉杆臂是商用车车桥总成上连接转向节和转向梯形部分的连接件[1]。直拉杆臂种类繁多，依据不同车型、不同转向载荷及转向灵敏度的设计，转向拉杆臂形状及直径等各不相同,和转向球头销连接的销孔偏置距离也不相同，看似是比较简单的零部件，结构形式也比较单一，但使用比较普遍，种类也比较繁多，通过实验保证所有拉杆臂的可靠性就显得繁杂，也几乎不可能。图1是目前常用直拉杆臂，其一端通过球头销和转向机链接，一端紧固在转向节上。

作为安保类零件，转向拉杆臂可靠性显得非常重要，假想汽车在红绿灯十字路口或盘山公路上运行，需要转弯瞬间，因为拉杆臂断裂，汽车行驶时转向功能失灵，汽车就瞬间往前冲过去，此时驾驶员再踩刹车反应时间相对滞后，必定酿成交通事故。

安保件通常设计满足无限寿命要求，在此依据设计规范，要求大于极限载荷下的20万次寿命要求，所用材料是40MnB或者40Cr。目前产品设计通过FEA来进行设计寿命的预估，进而保证产品可靠性。

图2是客户使用过程中转向直拉杆臂失效断裂图片。

1　直拉杆臂受力分析

对于直拉杆臂，在使用过程中受到垂直加工面的推力或拉力，见图3，依据经典力学计算，要求最大弯曲正应力

σmax=Mmax/W<[σ]

其中：Mmax为最大弯矩，M=Fl；W为抗弯界面系数，对于矩形截面，W=bh2/6，对于圆形截面，W=πd3/32。

由于直拉杆臂截面是变化的，B所指截面承受弯矩最大，但是抗弯界面系数和A所指截面有待比较，不考虑应力集中程度影响，当WB

2　直拉杆臂材料分析

从该直拉杆臂的失效表面情况看，该臂所用材料通常为性能较高的40MnB，光谱检验结果40MnB：0.42%的C， 0.32%的Si，0.002 7%的S， 0.008%的P，1.12%的Mn，0.002 3%的B，见图4，调制后硬度HB254左右；从材料分析看，该臂化学成分符合，金相组织合格。

零件表面质量也是影响零部件疲劳寿命的重要因素，零件表面有加工刀痕，表面疲劳缺口效应，往往导致零部件早期失效。该臂表面未发现明显伤痕，表面质量良好，说明该臂不是由材料成分引起的早期失效。

从该直拉杆臂断裂情况看，失效发生在螺栓连接部位，断口部位一侧光滑，是裂纹起始部位，表明该臂是疲劳断裂。

3　有限元分析

对一个零部件的受力分析，可以单独考虑，也就是从装配整体中取出单个零部件进行受力分析，依据圣维南原理，远处区域应力可以认为是真实的，如方案一； 也可以用整体法，以一个部件所在机构或者装配体进行受力分析，查看所考察零部件的受力状态。在分析过程中兼顾主要分析对象，同时考虑计算成本，需要对有限元模型进行不同程度简化，如方案二。

目前一般通过有限元分析和实验相结合方法来保证直拉杆臂寿命要求。首先，从三维造型软件Pro/Engineer中建立直拉杆臂CAD模型，再导入CAE软件MSC.Marc中，由于拉杆臂受到近似三角波型载荷，可以计算准静态结构强度，同时和实验对比，查看模型差异，建立衡量标准。

该臂所用材料设定为40Cr，该材料弹性模量E=211 000 MPa，泊松比μ=0.277，屈服极限σ0.2=785 MPa，σb=980 MPa。

3.1有限元方案一

汽车在转向过程中，驾驶员操作转向机构，转向力是由链接在转向机上面的球头销经过锥形孔作用到直拉杆臂上，然后由直拉杆臂传至转向节及转向节臂的，通过横拉杆作用到另一端，从而起到转向作用。该直拉杆臂安装在4.2T前轴上，约束转直拉杆臂上和转向节接触的端面，在球头销位置施加载荷，球头销至安装面大端距离24 mm，球头销部位施加载荷12 348 N。

在MSC.Patran软件中，通过简化分析，把直拉杆臂上和转向节接触部位固定，把和球头销连接部位作为施力点，进一步简化后模型如图5所示，其中偏置用rbe3连接实现，所用求解器为MSC.Nastran。

通过计算，有限元方案的分析结果见图6。

通过分析，看到δA=619 MPa，δB=359 MPa，最大主应力在A位置。按照准静态计算疲劳，对于该材料，最先发生疲劳失效部位和最大主应力部位应该一致，所以方案一分析方法在此就存在盲区，需要回顾修正。

3.2有限元方案二

根据实际直拉杆臂连接情况，考虑到实际中直拉杆臂和转向节通过螺栓固定，通过接触部位传力，由此应用接触迭代算法，建立直拉杆臂有限元模型，如图7所示,所用软件为MSC.Patran和MSC.Marc[2]。

3.2.1螺栓模拟

其中螺栓连接在CAE软件中用给定的方法来模拟，如图8所示。

首先需要建立Overclosure Tyings单元，来模拟实际螺栓工作过程，包含预紧过程和位移约束过程。预紧过程中，在预紧载荷作用下，螺栓只能沿自身轴向延长，此时螺栓受到预紧载荷，同时限制螺栓径向偏斜。位移约束是指螺栓所连接的零部件，在螺栓预紧完之后，通过螺栓内部拉力来连接[3]。

3.2.2非线性有限元模型建立

在转向节上对应轮距位置约束节点所有自由度，在球头销大端偏置24 mm位置施加12 348 N,螺栓预紧力300 N·m，计算到螺栓内部的拉力为75 kN。分析结果见图9。

通过分析，看到δA=487 MPa，δC=599 MPa，最大主应力在C位置，和现场用户失效截面位置一致。

针对失效的直拉杆臂，作者同时对该臂进行了改进，在中间螺栓孔位置，直径由46 mm增加到55 mm，同时增大倒角，见图 10。

改进后的方案计算结果如图11所示，最大应力水平有较大幅度的降低。

从计算模型上看，方案一属于线性分析，方案二属于非线性分析，方案一计算成本上优于后者方案；从结果显示来看，两个方案直拉杆臂拐弯部位都出现应力集中。

鉴于该螺栓孔部位存在应力集中，为了查明原因及找到降低应力集中办法，又尝试通过改变螺栓预紧力办法查看该部位应力。通过变化螺栓预紧力，可以看到拉杆臂螺栓孔位置最大应力变化曲线如下图12。

从臂的分析结果看：改进前直拉杆臂最大主应力部位在螺栓孔安装部位，和客户使用过程中失效部位一致，表明该直拉杆臂设计的疲劳强度不能满足要求；改进后的直拉杆臂应力有较大幅度降低。

4　试验验证

接着分别对优化前后的该4.2 t直拉杆臂进行台架试验，见图13，按照拉压工况幅值为12 348 N正弦波加载。

从试验结果看：改进前拉杆臂寿命分别为16.9万次、17.2万次、13.8万次，不满足设计规定疲劳寿命，无法满足可靠性要求；从失效部位看(见图14)，和非线性方法分析结果应力极值部位一致。改进后的直拉杆臂，台架试验20万次之后未发生失效。

5　总结

通过使用非线性计算方法，改变臂类零件模拟的边界条件，建立新的分析方案。应用该分析方案，可以计算出整个臂类零件应力极值点，较好地和失效模式吻合，有效地模拟臂类零件失效部位，消除盲区。通过该方法，完善分析及建立标准，可以让产品在设计初级阶段就满足设计规定的使用寿命要求，有效规避市场风险。

【1】余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2007.

【2】李喜梅,崔昭霞,顾景江.有限元软件Marc对典型销连接的分析[J].机械制造及自动化,2008,37(2):103-105.

【3】陈火红.新编Marc有限元实例教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

Failure Analysis of a Steering Drag Link Arm

DAI Tiancai, FENG Xicheng, KONG Wen, HUANG Yunqiang

(Product R & D Center,Dongfeng Dana Axle Co.,Ltd., Xiangyang Hubei 441057,China)

By using the finite element analysis software MSC.Nastran, a steering drag link arm mounted on a front axle of a truck was analyzed, to simulate it on service conditions. The results showed that the extreme stress point on the steering drag link arm was not the same to the destroyed one used by truck customers, it mean the failure mode was inconsistent to the customers’. Then it was analyzed again, adopting the contact approach, by using another finite element analysis software MSC.Marc,which was a nonlinear software. The maximum stress point coincided with the destroyed one this time.To verify the second scenario correctness, the steering drag link arm was tested latter. The destroyed section in test coincided with the maximum stress point in simulation. It proved the correctness of the nonlinear approach. Following, the approach was used to analyze such arm sect1s, the stress level of products was reduced and products reliability was improved.

Finite element analysis；Nonlinear；Failure mode；Drag link arm

2015-05-22

代天才，男，本科，工程师，从事结构仿真工作。E-mail:tiancai.dai@ddac.com.cn。