郝雯婧
【摘 要】汽车转向节承载汽车前部载荷,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,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.转向节的结构和力学性能是否在数年下的行驶后,还能确保准确、快速的转向和正常行驶,成为了判定转向节质量的一个决定性的因素.为了解决这一潜在问题,文章以检测转向节性能可靠性为基础,对转向节台架试验的结果进行了研究分析.
【期刊名称】《汽车实用技术》
【年(卷),期】2018(000)002
【总页数】4页(P132-135)
【关键词】转向节;可靠性;试验台架;疲劳试验
【作 者】郝雯婧
【作者单位】上海汇众汽车制造有限公司,上海 200122
【正文语种】中 文
【中图分类】U463
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 台架试验汽车拉杆
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。
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