汽车转向节可靠性台架试验研究

郝雯婧

（上海汇众汽车制造有限公司，上海 200122）

引言

汽车转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，它与汽车悬架、前车轴、转向系统以及制动器总成相连，具有承载汽车前部载荷，支撑并带动前轮绕主销转动，及实现汽车灵活转向和正常行驶的作用。[1-2]转向节的可靠性直接影响到汽车的正常行驶和车载人员的生命安全，特别是转向节在汽车行驶状态下要受到多变的冲击载荷，因此对转向节的强度、刚度及各方面力学性能有更高的要求。所以在产品研发周期过程中，最重要的工作之一就是对其产品验证疲劳寿命是否能够满足各种工况的需要。

转向节不仅承受前轴载荷，还承担地面冲击、车轮侧滑、转向、制动等产生的载荷，因此，要求其具有很高的强度。近年来，我国的汽车工业正处于蓬勃发展的重要时期，随着各种车型开发速度加快，车型的研发周期日趋缩短，不断加强转向节台架试验的研发力度，提高转向节力学性能满足各种路况需要，已成为汽车行业发展的迫切需求。国内外许多学者已对转向节进行结构强度分析，并对其做了台架试验和整车试验，结果表明转向节的设计完全满足工况要求，同时也验证了其他学者分析的有限元分析可靠性。[3-4]

本文通过对某款汽车转向节不满足可靠性试验过程中出现的问题进行研究分析，对不满足极限应力、极限扭矩等情况查找原因，并对其改善，最终使其产品成功通过可靠性试验验证，满足各种路况需求。

1 台架试验

汽车行驶系零件的载荷主要取决于车轮与路面间的相互作用力，对行驶系零件进行静强度计算时主要以汽车满载行驶的一些极限工况，如紧急制动、侧滑、越过路面障碍等。

转向节承受来自转向系的转向力、制动系统的制动力以及车轮传递来的支承载荷、冲击载荷、滚动阻力等各种形式的载荷。对转向节进行强度分析可以按照汽车行驶系零件的工况和载荷，目的就是判断转向节的最大应力是否会超过强度极限，是否会发生断裂失效。针对汽车行驶过程和汽车实用设计手册有关要求，按照汽车行驶时的三种典型工况（即三种危险工况）及三种危险工况的组合工况进行转向节的强度分析计算。

汽车行驶的三种典型工况及组合工况的载荷为：

（1）汽车越过障碍路面工况，此时受到垂直方向的冲击载荷，动载系数最大；

（2）汽车紧急制动工况，此时汽车动载系数较小，受到制动力和纵向惯性载荷；

（3）汽车转向侧滑工况，汽车动载系数较小，受到侧向力及转矩。

（4）组合工况：即汽车在障碍路面上紧急制动且转向侧滑，同时承受到三种典型工况的载荷。

图1 制动左后轮帮助汽车转向Fig.1 Brake left rear wheels to help car steering

1.1 制动力

按原装置将车轮轴承、球铰链、转向横拉杆外关节和制动装置的组件整合在一起。为了传输所需的制动扭矩，比如说，可以将制动片与制动盘钻孔并用螺栓彼此拧紧。

另外可以选择的是，使用铰链结构替代品，将制动扭矩传输到转向节上。对转向节测试件施加的负荷必须是一致的，减振器可用抗弯管取代，并通过关节将其定位到上减振器支承（运动点）的区域内。转向横拉管和横向导杆可以利用相应的结构件替代，并铰接放置在一起。通过车轮替代品将制动力施加到结构件上。负荷施加的作用线与车辆坐标系的X轴方向相同。在引导施力的过程中，不得影响转向节变形,在施力路线上，需要2个关节。车辆以0.6g加速度紧急制动情况分析：

图2 汽车轮胎实际路况受力分析图Fig.2 Analysis of actual road surface stress of automobile tire

如图所示，根据汽车实际相关参数，在计算汽车以加速度为0.6g紧急制动情况下，以整车的质心为原点，在保证每车轮在制动过程中所承受纵向力相等的情况下，对车辆受力平衡分析，设满载时整车质量为M。

由制动减速度产生的惯性力为：

单个前轮所受的制动力为：

1.2 侧动力

按照图2～图3所示在车辆设计位置放置转向节，对于带有法兰厚度集成制动盘的车轮轴承，使用其仿形件也是可行的。在转向节装夹在实验台架上时，要保证转接器与转向节的连接必须与原装车轮轴承一致。

侧向力要在车轮轴承中下方位置施加到车轮替代品中（XS=0），施加负荷的作用线与车辆坐标系的Y轴方向一致。在引导施力的过程中，不得影响转向节变形，同时在施力路线上，需要2个关节。

车辆以 0.4g 侧向加速度转弯情况分析：

图3 侧向力轮胎受力分析Fig.3 Force analysis of lateral force tire

如图所示，根据汽车实际相关参数，在计算汽车以加速度为0.4g紧急转弯情况下，可知左、右车轮受到的地面侧向力不同，内侧车轮所受到的垂向力小于外侧车轮所受到的力。设前轴载荷 Mf，左、右两侧车轮侧向反力的变化量

外侧车轮垂向力为：

内侧车轮垂向力为：

1.3 转向节臂

如图4所示，按照运转方式将转向节牢牢固定在车轮轴承座上。转向节与试验装置的接触方式同转向节与车轮轴承的接触方式一致，通过转向横拉杆外关节给转向节臂施力。转向横拉杆内关节的位置应满足以下要求，即施加负荷的作用线垂直于车轮轴承法兰面。

如果在车辆中利用转向节装配了不同的球铰链枢轴，那么必须在测试时使用最长的枢轴变型。

图4 转向节臂试验装置Fig.4 Steering knuckle arm test device

1.4 试验要求

为残余几率Pü=50%计算循环数Nerf，并将其视为平均值。在达到失效判据之前，应一直按照图纸中规定的负荷水平进行测试。当循环数达到Nmax=Nerf×5时，可以中断测试。对于拟合线（结构件疲劳曲线）的标准对数偏差，要求Slog,N≤0.20。测得的结构件疲劳曲线不得在循环数<2×106的范围内与按照平均值要求得出的疲劳曲线相交。

2 台架负荷试验

2.1 试验台

在可调节力度的伺服液压试验台上进行试验，要使用应力时间信号，必须在迭代过程中为试验台生成这些信号。同时，应确保同时同步施加负荷。

在0到40 Hz的频率范围内，在以下内部测量位置上进行迭代：

→ 转向横拉杆力

→ 球铰链纵向力

→ 球铰链侧向力

如果测试件由铸钢或球墨铸铁制成，那么试验必须在干燥的环境下进行。如果测试件由铝材制成，那么必须通过以下腐蚀循环对零件进行试验：5分钟的氯化钠水溶液喷洒（重量百分比为5%的氯化钠）与25分钟的烘干交替进行。

2.2 负荷示意图

将转向节固定在车辆设计位置（见图5）。在试验中施加以下3个负荷：制动力、侧向力、纵轴扭矩。通过两个侧向力缸的模态连接F3K-S1和F3K-S2，围绕纵轴产生侧向力和扭矩。

2.3 试验测试信号要求

为残余几率Pü= 50%计算所需要的信号重复数Werf，并将其视为平均值。

在不超过失效判据的情况下，应证明信号重复数Werf结果的离散值不得超过Slog= 0.20。

图5 负荷测试示意图Fig.5 Schematic diagram of load test

2.4 抽样和失效依据

应对转向节的左侧和右侧分别进行测试，对于测试负荷，应在双对数沃勒场中，根据回归直线、斜率k和对数标准偏差Slog对结构件出现裂纹前的交变进行分析，根据标准采用计算方法进行统计分析。

同时，在试验中，还要记录出现裂纹地点和位置、各个损伤图上相关的行驶里程损伤图片（例如裂纹、变形、螺栓连接的打滑或松动），及裂纹的扩大方向等。

2.5 球铰链支座

球铰链的作用是将转向节及转向节臂替代件链接到试验台架上，按照运转方式将转向节牢牢固定在车轮轴承座上。转向节与试验装置的接触方式同转向节与车轮轴承的接触方式一致。

图6 球铰链拉伸试验装置Fig.6 Ball hinge tensile test device

测试支座要倾斜放置，使Z轴成α角（见图6）。通过原装的球铰链枢轴进行施力。仿照车辆中的装配，按照最新数据表中的有效信息用螺栓拧紧该部件。如果在车辆中利用转向节装配了不同的球铰链枢轴，那么在测试时必须使用较短的枢轴变型，因为能承担较高载荷。拉力为Fzug,FG的条件下不允许出现裂纹或断裂。对施力点进行卸荷后，允许有< 1 mm的塑性变形量。

当作用力大于Fzug,FG时，失效性能必须符合“故障安全原则”。也就是说，开裂或断裂前，枢轴或转向节上必须出现明显的塑性变形。

开裂或断裂前的变形量 SB必须大于图纸中所要求的值Szug,FG。

其中：

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3 试验结果

分别在不同的坐标和不同的样件批次试验条件下，进行左右侧轻载和重载的测量实验，得出韦勒曲线如图7所示。

同时，将ANSYS软件中的PDS模块应用到转向节的可靠性分析中，在可靠性分析中，考虑了转向节的各种随机因素，如材料不均匀性，结构参数的随机性等，使分析更加接近实际情况，从而使结果更可靠。分析结果显示，转向节在组合工况下的可靠度为0.997。

图7 韦勒曲线Fig.7 Weller curve

4 结语

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经试验测得结果分析，转向节在台架上安装位置的精度的要求较高，且位置不可动，测得强度刚度满足使用要求，同时台架试验准确性也决定测量误差，决定测得数据的准确性。同时，在试验载荷与试验次数中引入对数标准偏差 Slog和韦勒曲线斜率 k，更有利于科学的评鉴疲劳性能，保证转向节的安全可靠，且符合未来向标准化、柔性化的发展趋势。

参考文献

[1] 杨东光,李秋芳.汽车铝合金转向节可靠性试验失效分析[J].工艺设计改造及检测检修2016(242).

[2] 张琦,郑松林,金晓春,王成龙.汽车后转向节轻量化设计及试验验证[J].现代制造工程.2014(4).

[3] 王廷喜,林涌周,谷玉川,王更胜,黄秀成,黄广三.麦弗逊悬架转向节强度分析与优化设计[J].汽车零部件.2015(5).

[4] 周宁.轿车用转向节试验方法[J].汽车工程师.2011(8).

[5] 李飞.轿车转向节耐久性寿命预测研究[D].2010.

[6] 武振江.轿车转向节载荷谱提取及疲劳寿命预测[D].2014.

[7] 王利.基于可靠性的转向节分析与优化[D].2015.