重型商用车转向节臂失效分析及结构优化

摘 要：首先分析作用到转向节臂上的最大载荷，计算此载荷对其各截面产生的弯曲应力和剪切应力，通过第四强度理论计算产品的安全系数，评估转向节臂的安全性，然后使用有限元分析法予以复验，用台架测试、整车搭载试验的手段验证可靠性。进而推广此工作法使用至悬臂梁零部件的结构设计、分析和优化中。

关键词：转向节臂 失效分析 结构优化 第四强度理论 有限元

1 绪论

转向节臂（如图1所示）是转向桥上与整车其他部件连接的唯一零部件，其前端通过直拉杆总成与方向机相连，后端连接转向桥的转向节总成（如图2所示），是实现转向桥转向功能的关键零部件，也是最主要的保安件。一旦失效，转向桥将失去其最基本的转向功能和整车动力源的控制引发一系列致命故障。

因此，转向节臂设计的安全性及全生命周期的可靠性成为转向设计研发工程师所必须首先要考虑的课题。

本文结合试验场出现的转向节臂断裂故障，如图3。首先对比计算车轮原地转向阻力矩和整车方向机输出力矩产生的载荷，确定施加在转向桥上的最大载荷。结合转向节臂的结构及工作状态对其危险截面进行抗弯、抗扭应力计算，最后通过第四强度理论对危险截面进行应力计算。结合产品的抗拉强度计算安全系数。另一方面利用有限元分析法分析产品各处的应力值，从理论上评估其安全性。

再进行实物的可靠性台架试验，搭载整车进行试验场道路试验，对产品可靠性进行实际验证。

2 转向节臂受力计算

动力转向系统的零部件设计一般既要保证能够停车时原地转向又要满足动力转向系统的转向需求。转向节臂在前桥总成的装配示意图如图4。

原地转向时，车轮转向阻力矩可用下式计算：

（1）

式中：——轮胎与地面的滑动摩擦系数，一般取0.7；

——前桥总成额定载荷；

——轮胎气压，一般取0.81；

原地转向转向节臂受力计算：

（2）

式中：——转向节臂工作半径；

方向机输出力矩作用到转向节臂的力可用下式计算：

（3）

式中：——方向机输出力矩；

——垂臂长度；

通过对比与，取最大值对转向节臂进行力值输入，计算转向节臂的某一截面的弯矩、扭矩。

（4）

（5）

式中：——力的作用点到某截面的长度；

——力的作用点到某截面的高度；

对转向节臂结构分析，计算断面系数：

（6）

（7）

式中：——截面高度；

——截面宽度；

——抗扭端面系数；

其中抗扭断面系数存在以下关系：

通过弯矩、抗弯断面系数；扭矩、抗扭断面系数分别计算转向节臂截面的弯曲应力和剪切应力。

（8）

（9）

最后通过第四强度理论计算转向节臂某截面的合应力，计算其安全系数：

（10）

3 实例分析及实物改进

某商用车5.5吨前桥总成转向节臂频繁出现直拉杆臂中间连接螺栓处断裂的问题，如图3；经分析A-A截面、B-B截面为产品相对薄弱和应力最大处，如图4，前桥总成所装车型及产品参数如表2。

通过公式（1）（2）（3）计算输入到转向节臂的最大作用力。

=23062N

=25357N

通过公式（8）（9）分别计算A-A，B-B截面的弯曲应力。

A-A截面：

=9450Nm

=11794Nm

B-B截面：

=9756Nm

=12176Nm

通过公式（10）计算两截面合应力：

=235.5MPa

=785MPa

通过测试转向节臂本体抗拉强度（42CrMo），其应力值为933Mpa，937Mpa，927Mpa，930Mpa，933Mpa（基本满足42CrMo调质许应应力[δ]≥930Mpa）。取实际测试的最小值927Mpa计算安全系数如表３：

通过计算A-A截面安全系数满足要求，B-B截面安全系数低于机械行业规定的零部件安全系数≥1.5的要求，与实际失效模式相符。

通过对B-B截面进行尺寸优化，调整h值47mm尺寸至55mm，经计算其安全系数1.6，满足行业规定要求。

4 有限元模型及分析方法

为准确仿真转向节臂优化后各截面的安全性，根据其工作状态进行有限元分析，具体仿真结果如图5。

转向节臂材料为42CrMo，密度7850kg/m3，弹性模量212GPa，泊松比0.28，屈服强度930MPa。

5 转向节臂台架测试

在我们公司MTS四通道试验机上对改进后的转向节臂根据《汽车转向横、直拉杆及前桥转向性能技术条件》进行台架测试，模拟转向节臂加载状态的疲劳试验，如图6所示。

经测试，改进后转向节臂试验结果如表5，满足标准要求。

6 结论

结合转向节臂的使用工况，通过对其受力分析，可以理论分析其危险截面及其承受的最大应力，结合产品选材及经特定工艺处理获取的值，利用第四强度理论可以定量判定产品的安全性。

另一方面，利用有限元法，结合分析软件ANSYS Workbench进行仿真分析，也可对转向节臂危险截面进行分析评估。优化后实物台架测试结果满足标准要求，整车搭载试验无异常。在理论和实际上实现了转向节臂的结构优化。

通过理论分析与台架测试相结合的手段，解决了转向节臂的失效问题，规避了市场风险，该方法可推广至悬臂梁工作状态的零部件的研究中。

参考文献：

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