转向节的强度和试验

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1、汽车 科技 试验 检测 转 向节的强度和试验 东风汽车公司 工艺研究所冯美斌 摘要在分析转向节承载特点的基 袖上 得出了转向节名 义工作 载荷的计界 方法 , 概述了转向节凌劳试验 现状 , 介绍 了东风汽车公 司最近 研制的电动谐振式转 向节疚劳试 脸台架概况 , 并从 技 术经济角度将它与当前广泛使用的液压 式试 验台 架进行了对比 。 主题词 : 转向节 强度 试验 1 前言 转向节是汽车中的重要安全件之一 , 在使用中不允许发生断裂 。 该零件在工作时主 要承 受变动的弯 _ 曲疲劳载荷 , 其强度设计属于典型的高周疲劳范畴 , 即无限寿命设计 . 这是转向 节的强度研究租台架试验的基

2、本着服点 。 本文在分析转向节承载特点的基础 上得出了转向 节 名义工作载荷的算式 , 概述 了转向节疲劳强 度试验的现状 , 介绍了东风汽车公司最近 研制 的电动谐振式转向节疲劳试验台架的概况 , 并从技术经济角度将它与当前广 泛使用的液压 式试验台架进行了比较 。 2 转向节的受力分析 转向桥的左 、 右各有一转向节 , 转向节与前轴的连接方式及受力简图如图 1 所示 。 转向 节的两耳部分各有一通孔 , 通过主销与前轴连在一起 。 装在转向轴上的前轮(图中未画出)可 绕主销偏转一定的角度 , 从而实现汽车的转向 。 实际服役条件下转向节上的载荷可以视为由两 部分组成 , 即由前轴静重引起

3、的静载和车辆在 行驶 中产生的动载 。 现对这两部分载荷进行定 量分析如下 。 2 . 1 作用在转向节上 的静载 由图1可以看 出 , 在前轴静重作用下 , 前桥 的承载方式为典型的四点弯曲 。 转向节轴颈 圆 角处所承受的弯矩为 : 从 一双z一 冬 G,(l) 乙 式中G 前轴静重 l前轮支反力中心至轴颈圆角处距离 亘亘亘亘亘亘亘亘亘 _ _ _ 一一L上过乏 乏乏乏乏乏 公公 “ F F F F F F F F F 川川川川川川川川 图 l 转向节受力简图 19 94 年第5期(总第 122 期) 显然 , 静载M s 可以看作是作用在转向节上的平均载荷(直线行驶工况) . 2 . 2

4、 行驶中转向节承受的动载 转向节在行驶过程中所承受的动载大小和方向视工况的不同而异 。 具有代表性的三种 工 况 如下 : ( l ) 通过不平路面 在不平路面 上行驶时车辆的振动使转向节承受带冲击性的疲劳载荷 , 动载荷的方向与 前轴静载方向相同 , 其最大值为 : l , 似, 二一 百入 行 (2) 式中K 为动荷系数 , 一般在 1 . 7 5一2 . 5 的范围 。 至 于其最小值 , 在极端情况下(即车辆 向上弹起使前轮支反力近似为零)可视为零 , 于是可得车辆通过不平路面时转向节轴颈圆角 处的动弯矩幅为 : 、,_ 1 . 义粗。= 气似. 二一似. . )/乙=,丁八讨行l 任

5、 (3) ( 2) 紧急制动 车辆紧急制动时 , 转向节上同时受到两个方向上的载荷 , 即因制动使前轴重量重新分配 而在垂直方向所产生的载荷材 , 其大小为 : l一 , 2妞加 二 七L . l (4) 和车辆运动惯性力在水平方向所产生的冲击载荷F , 所产生的弯矩为 : l 。 一 似 配 1于七界 了 (5) 上两式中 : C 制动时前轴重量分配 系数 少- 附着系数 由(4) 、 (5)得紧急制动时作用在转向节上的最大合成弯矩为 : 蝙 二 一 丫呱 : 十均 一合 c G l 石干了 (6) 不难导出该工 况下的动弯矩幅为 : l一 , , , 。 、, . , 。 、, 、 人几今

6、G l了(1一C) “+ (C沪) 2 (7) _ 一 4 一 (3) 侧滑 发 生侧滑时 , 汽车左 、右 两个前轮将分别受到 一大小不等 、 方向相同的侧向力 , 例如当汽 车向右侧滑时 、 右前轮上的均受到 一方向向左的侧向力 , 其大小分别为 : 、 尹、.了 S Q, 了 飞 沙 、 , 左 、 右前轮 告 G尹(罕 和 F . = 合、弩 一l) +1) 式中 h . 重心位置高度 尹侧向滑移附着系数 , 一般可取尹一l B 轮距 即发生右侧滑移时 , 汽车右轮承受的侧向力大于左轮 , 且左 、 右两轮的重直反力也不相 等 , 其值分别为 : 凡一韶( 弩 一1)(1 0) 汽车科

7、技 R r 一 扣弩 +, 取尹 1 , 设前轮的直径为 转向节承受的载荷分别为 : 材 “- 一(R刁+F er ) (1 1) : , 并注意 到各力所产 生的弯矩 方向 , 可得向右侧滑时左 、 右 l , 二丁行气e咋r夕气上一 乙 Zhg B (1 2) 几式 r 一Rr e+Fr r 1。 ,、, Zhg 、 一 气万L了、r e,、l 目1一一二丁 j 乙 力 通常情况下 , 2 h , /B 12 , : 远大于 矩远大于左侧 , 其弯矩幅大小为 : 1_ , . ,、, 二 Zh ,、 M . =今G 尸+ (r一 尸)(l+ 升子) . 4 、一 、产、 B 产尸 (1 3

8、) 尸 , 故可知汽车向右侧滑时 , 右侧转向节所承受的弯 (1 4) 不难看出 , 上述 三种工 况中当车辆发生侧滑时转向节承受的动载幅度最大 , 其次是在不 平路 面上行驶 。 但从发生的频次看 , 后者远高于前者 。 因此在转向节的疲劳强度研究中 , 可 将式(3 )中的材d作为零件的名义工作弯矩幅 : l , 一 , 从一风 万入 以 (15) 其平均载荷可近似取为 G l 1 一 2 材 . 从 = (16) 3 转向节台架疲劳试验现状 目前广泛采用图2所示的液压式台架进行转向节疲劳试验 。 在这种试验装置中 , 液压千 斤顶的脉动压力通过加载力臂转变成脉动弯矩 施 加到试件上 ,

9、以满足试件对载荷的要求 。 这 种台架除载荷精度差 、 自动化程度低 、 能耗高 、 试验人员劳动强度大外 , 还有一个致命的缺 点 是 试验效率非常低 , 其加载频率通常只有 3SH z 。 由于试验效率低而带来下 述 问题 : (l)加载频率若按SH : 计 , 一个试件要完成 10, 次循环 , 约需连续运行2 3天 。 因此欲 测 取以 1扩为循环 基数的零件疲劳极 限几乎是 不可能的 。 普遍的作法是加大负荷 缩短时间 , 结 果可能导 致试件的失效部位与形式与实际不 符 , 试验结果意 义不大 。 ( 2)试验周期太长 , 难以抽取足够多的试件 进行试验 , 因而试验的精度很低 ,

10、 加之试验的循 环 基数一般在l护左右 , 试件强度的评估标准 为在某一规定的载荷下 通过或不通过 , 故这种 试验结果只能用于不 同的设计 、 材料或工艺等 的对比 , 即利 用现有的液 压式 疲劳试验台架不 能测定零件的极限承载能力并进而对其可靠性 进行评价 。 采用电液伺服试验装置 虽然可使试验的载 荷精度和自动化程度大大提高 , 但是试验效率 仍 无根本性的改善 , 且 投资大 , 试验费用 昂贵 。 液液压源源源源源源源 千斤顶 图2液压式试验台架示意图 1994 年第 5 期(总第 12 2期) 因此 , 要满足日益增 长的产品开发和质量控制对转 向节疲劳试验的要求 , 需要研制出

11、同时兼 有高精度和高效率的新型试验台架 。 4 电动谐振式转向节疲劳试验台架简介 图3为电动谐振式转向节疲劳试验装 置原理框图 。 装置的加载部分采用的是谐 振方式加载 。 两惯性摆臂通过锥套 、 销轴和 特殊的联结块与试件组装在一起 , 构成了 一单 弹簧双质量单 自由度的音叉谐振 系 统 。 电动激 振器 经推杆与其中一摆臂相连 , 当它以一定的频率(等于 系统的固有频率) 和幅度激励系 统振动时 , 摆臂的惯性力所 产生的弯矩就施加 到试件上 。 反映载荷大 小的响应信号由放 置在另一摆臂上的加速 度 计 给 出 , 经 电荷 放 大器放 大后送至 工r 一1振动控制器 , 以形成加速度

12、的模拟 闭环控制 。 当机械谐振系统的共振频率因 试件开裂等原因 发 生变化时 , 控制回路 还 能自动修正指令信号频率使之与当前机械 共振频率相等 , 确保系统始终处于共振状 态 。 控制部分还具有试件开裂监测等多种 己己己己己 薰薰 黔黔 功功率率率振动动 放放大器器器控制器器 加速度计 图 图3 电动谐振式转向节疲劳试验装置框 图 功能 , 当试件开裂到预定的程度或当试件完成预定的循环数 , 或当载荷幅度越过规定的上限 或下限时 , 装置 还能可靠地自动停止试验 . 设试件的弯曲刚度为K , 两摆臂的转动惯量均为J , 系统的阻尼系数为 C , 则可导出系 统共振频率为 : 峙一叭丫一2

13、套 2 (17) 在共振频率下 , 作用在试件上的弯矩幅值为 : M一 - 卫 一一 4犷丫了二万 万 (18) 式中 叭系统阻尼系数为零时的共振频率 , 有 峨一了ZK/ J 夸 系统阻 尼比 , 夸一 c/ 而天了 , 对于一般系统 , 夸 通常在 0 . 0 1一。 , 00 1 之间 F 电动激振 器的激振力幅 l推杆作用点至摆臂振动中心距离 式 中(17) 、 (18)可用于系统的载荷分析和机械谐振部分的设计 , 诸如摆臂转动惯量的确 定 、 电动激振器的选择 、推杆位 置的估算 、 系 几统共 振频率的估算和 加速度弯矩关系预 测 等 。 而实际台架中的载荷大小则是根据加速度读数

14、a 按下式算得 : M二 .ia /l 。 (1 9) 式中l 。 为加速度计放置 处距摆臂转动中心距离 。 对于一给定的系统 , J 、z。 均为常量 , 故 试验弯矩唯一取决于 a , 且两者呈线性关系 。 若在设计阶段 设法使J/ l 。 的比值为一简单的整 汽车科技 数 , 则可十分方便地从仪表指示的加速度值直接读取弯矩的数值 。 由于加速度测量系统和摆臂转动惯量等的误 差 , 直接按式(19 )换算关系得 出的弯矩误 差较大 , 一般可达3%一5% 。 提高系统载荷精度的办法是采用应变法 ,对台架进 行标定 , 实 践表明标定后弯矩的精度可提高到 1铸左右 。 同液压式试验台架相比

15、, 电动谐振式试验装置的另一显著优点是试验效率高 , 其加载频 率可达6 0一lo o H : 以上 , 从而使测定转向节以1护为循环基数的极限承载能力成为了可能 。 现将这两种试验台架的技术经济指标列于表 1 中 。 不难看出 , 谐振式台架的载荷精度 , 试 验 效率 、 自动化程度 、 能源消耗等项指标远优于普通液压式台架 。 衰1电动谐振式和液压式台架技术经济性对比 对对比顶目 目 普通液压式 式 电动谐振式 式 载载荷精度度 8铸 铸 1秀1 . 5% 加加级橄率 率 35月之 之 60100片 自自动化怪度度 福人工 定期监侧载荷及试件 件 可在发生下列悄况 之时自 自 是是是否开

16、裂 裂动停止试验 : : : 试件开裂到预定程度度 完成预定的循环数 数 载荷越过规定的上 、 下限故故 可可可可无人值班而昼夜运行行 能能耗耗 10 0呱 呱 l%2% 试试脸费用用昂贵贵低廉 廉 仅 可用于不同设汁 、 材料或工工 还可用来测定零 件的极限 承 承 数数据可用性 艺 娜的时 比比 载能力并据此评定其可靠性性 _ _ _ _ 利用 图 3 所示的装置 进行试验时 , 试件承受的是完全往复的交变载荷(其平均值何 , 二 。 若测得某一组试件的疲劳极限弯矩幅为M 一1, 则其安全系数 二 估算式为 : 材 , 儿二丫弃二 一 专厂(20 ) Ma 小必洲 , 式中必为试件材料的平均应 力敏感系数 , 可从有关材料手册中查得 。 5 结束语 转向