转向节的组件疲劳行为和寿命预测的有限元分析
Prof R. L. Jhala, K. D. Kothari, Member IAENG, Dr. S.S. Khandare
摘要
本文描述了一种车辆转向节，在其使用寿命期间会承受时变载荷。 因此，疲劳行为是其设计和性能评估中的关键考虑因素。本文旨在评估疲劳寿命并比较由不同制造工艺的三种材料制成的转向节的疲劳性能。 这些包括锻钢，铸铝和铸铁转向节。鉴于大量的锻钢车辆部件，锻造工艺被认为是研究的基础。获得并比较了静态和基线循环变形和疲劳特性。
本文设想，此外，还参考了对锻钢和铸铝转向节进行的许多负载控制的疲劳组件测试。 还分析了转向节的有限元模型，以获取每个组件中的应力分布。 基于组件测试和有限元分析的结果，然后比较了三种材料和制造过程的疲劳行为。 本文的结论是，与铸铁和铸铝转向节相比，锻钢转向节具有更好的疲劳性能。
.引言
在汽车工业中，采用最佳材料和组件的趋势强劲。汽车设计师有多种材料和工艺可供选择：钢锻件与铝锻件和铸件，铸铁和烧结粉末锻件竞争。
转向节是车辆悬架系统的一部分，其基础制造工艺具有锻造和铸造的替代选择。由于它从一侧连接到转向部件和支柱组件，而从另一侧连接到轮毂组件，因此它具有复杂的限制和约束条件，并且可以承受各种载荷。此外，在设计疲劳时，诸如内部缺陷，应力集中和梯度，表面光洁度和残余应力等参数可能会产生很大影响。 疲劳设计的一种常见做法是将分析和测试结合起来。
在零件的疲劳设计阶段出现的一个问题是数据从光滑样本到零件的可传递性。 部件的几何形状和表面规格通常与所研究样品的几何形状和表面规格不同，并且在大多数情况下都无法定义名义应力或缺口系数。
开发了一种方法来定量评估汽车结构的疲劳寿命，并确定关键和无损区域，以增强设计和减轻重量。该方法结合了加载时间历史文件和弹性有限元分析的结果来估计疲劳寿命。在弹性和非弹性载荷范围进行了转向节应变的测量。
有限元和实验结果之间最大主应变的相关性表明，弹性范围内的横向和前后载荷分别平均误差为23％和27％。对于前/后和横向载荷测试，在R50C50寿命（可靠性为50％，置信度为50％的疲劳寿命）下，在非弹性范围内观察寿命和预测寿命之间的差异分别为3.9和1.4。
为了执行疲劳分析并在复杂的车辆结构中实施局部应力应变方法，使用了应变寿命结果模拟的3D应力应变模型和多轴变形路径来评估疲劳损伤。在将每个关键元素的复杂载荷史简化为单轴（弹性）应力史之后，使用Neuber塑性校正方法来校正塑性行为。提出了利用材料强度和弹性有限元模型结合每个载荷点服务历史的叠加过程进行弹性单元载荷分析的方法。这些包括平均应力影响，超过或低于耐力极限的载荷顺序影响以及制造过程的影响，例如表面粗糙度和残余应力。
比较了无缺口和有缺口的标本和零件在恒定振幅载荷下的疲劳强度寿命曲线和在可变振幅载荷下的应变寿命曲线。结论是，相同的破坏准则（即第一个可检测到的裂纹），精确确定的局部等效应力或应变以及相同的试样和部件的最大应力/应变材料体积是材料数据可传递性的前提。从样品到组件。最大应力/应变材料体积似乎适合以相对简单的方式考虑统计和机械尺寸的影响。当前研究的目的是比较疲劳性能并评估转向节的疲劳寿命，转向节是由不同制造工艺的三种材料制成的疲劳关键部件。选择了三辆车的转向节。这些包括马鲁蒂800的后悬挂的锻钢转向节，马辛德拉的前悬挂的铸铝转向节和马鲁蒂·奥姆尼的前悬挂的铸铁转向节。仅锻钢转向节包括主轴部分。图1显示了这三个组成部分的数字化模型。
Ⅱ.组件疲劳行为和寿命预测的耐久性比较
制造过程，例如锻造或铸造，通常确定强度级别和机械性能的分散性，但是几何形状可以抑制材料的影响。对于无法定义疲劳缺口系数的复杂零件几何，只能通过失效关键区域中的局部等效应力或应变来执行材料测试数据的可传递性。 在这项研究中，通过将等效载荷应用于模拟有限元模型，获得了与实验载荷条件相对应的局部等效应力和应变。 由于测试是在平均载荷下进行的，因此使用修改后的古德曼方程来说明平均应力的影响：
其中，，，和是在存在平均应力的情况下的交变应力，完全等效反向加载的交变应力，平均应力和极限抗拉强度。然后运用巴斯金方程通过以下材料特性获得疲劳寿命：
通常，将表面光洁度降低率应用于部件的疲劳强度。但是，锻造的转向节的圆角经过机加工和抛光，因此没有应用表面光洁度系数。 对于两个铸造转向节，由于铸造材料的性质以及铸造材料的缺陷在内部和外部均匀，也没有实现任何表面光洁度。在应变寿命方法中，根据考虑平均应力效应的Smith-Watson-Topper（SWT）参数，使用关键位置的应力和应变局部值来确定疲劳寿命。
其中是最大应力，而是应变幅度。
Ⅲ.有限元分析
使用Pro Engineer软件对每个关节进行了线性和非线性静态有限元分析。 如前所述，由于大多数情况下都是局部产量以及某些情况下的总产量，因此必须进行非线性分析。为了生成三个转向节的精确几何形状，使用了坐标测量机（CMM），其最终数字化模型如图1所示。
非线性分析采用了Von Misses屈服准则和使用双线性应力-应变曲线的运动学强化规则，该曲线充分表示了材料的周期性变形行为。选择边界条件和负载来代表组件的服务和测试条件。对于锻钢转向节，主轴上施加了主要载荷，并限制了四个悬架和支撑孔。
分析表明，改变主轴长度上施加载荷的位置不会影响临界点处的应力位置和大小。为了验证模型，通过切换载荷和边界条件以及释放任意一个固定点来分析其他方法，以确保关键位置保持不变。对于使用中的铸铝转向节，当载荷通过支柱施加到支柱接头时，四个轮毂螺栓孔连接到车轮组件。分析了几种边界条件试验，包括固定四个轮毂螺栓孔的整个区域，固定轮毂螺栓孔的中心线，仅将一对螺栓孔固定在远离载荷点的位置以及在中间固定两个点枢纽区域。结果发现，除了固定螺栓孔的情况（应力值较低且临界位置不同）外，所有其他三种情况都提供了近似的结果。因此，选择了固定轮毂螺栓孔中心线的选择。对于铸铁转向节，其几何形状和使用条件接近铸铝转向节，则应用了相似的载荷和边界条件。在为零部件定义实体网格时，由于该软件没有几何形状限制并且可以在复杂的体积上进行定义，因此采用了该软件的自动网格划分功能。自动网格生成器使用的算法可最大程度地减少元素变形。使用3-D线性四面体实体元素，锻钢和铸铁转向节的整体元素尺寸为3.81毫米，铸铝转向节的整体元素尺寸为5.08毫米。在关键位置考虑了锻钢的局部元件尺寸为0.254毫米，铸铝和铸铁转向节的局部尺寸为0.635毫米（即锻钢转向节的主轴圆角，铸铝和铸铁转向节的轮毂螺栓孔）。这些网格尺寸是基于某些几何位置的应力和应变能的收敛而获得的。
疲劳分析中重大错误的潜在来源是应力和应变预测的不精确性。因此，验证有限元模型对于这项研究至关重要。为了验证模型，比较了通过零件测试中的应变计测量的应变和使用有限元分析预测的应变值，并在表1中列出。锻钢转向节的应变计位于主轴根部附近。和第一步圆角，对于铸铝转向节，将两个量规放在支柱臂的鹅颈处，将两个量规放在轮毂螺栓孔处，在零件测试过程中观察到裂纹的产生。这些位置在表1中标识。根据量规的位置，选择了从疲劳耐久性分析获得的菌株的适当成分进行比较。对于复杂的转向节几何形状，两个转向节获得的测量应变与预测应变之间的差异被认为是合理的。对于具有相对简单几何形状的锻钢转向节，表1还列出了根据材料方程的分析力学计算出的应变结果。可以看出，这些结果主要在实测应变和有限元预测应变之间。还检查了弹性范围内载荷的对称性和线性的有限元分析结果。应当注意，应变计的位置和所施加载荷的大小应使所有测得的应变都在弹性范围内。
图2中显示了三种模型的等效Von Miss应力轮廓和典型载荷值的关键位置。锻钢转向节的主轴一级圆角区域，铸铝转向节的轮毂螺栓孔和支撑臂，铸铁转向节的根部和轮毂螺栓孔被发现是高应力区域。Von Misses等效应力和应变用于后续疲劳寿命分析和比较。对于锻钢转向节，在最高实验载荷水平下，总的（在主轴上）和局部（在圆角处）都发生屈服，而对于铸铝转向节，在最高实验载荷下，仅局部屈服（在轮毂螺栓孔处）发生。
Ⅳ.结论
基于针对转向节提出的分析，可以得出以下结论：
1.与两种铸造材料相比，锻钢的耐疲劳性能更好。铸铝和铸铁的长寿命疲劳强度分别仅为锻钢的35％和72％。
2. 发现铸铝和铸铁的循环屈服强度分别为锻钢的54％和75％，而铸铝和铸铁的循环应变硬化指数分别为锻钢的46％和55％。 这些表明锻钢对循环塑性变形的抵抗力更高。
3.三种材料的应变寿命疲劳行为的比较表明，与铸铝和铸铁相比，锻钢在短寿命期间的寿命分别延长了20倍和4倍。在高循环周期中，与铸铝相比，锻钢的寿命比铸铁长约一个数量级，并且寿命比铸铝长约三倍。
4.对于复杂的转向节几何形状，发现锻钢和铸铝转向节获得的实测应变与FEA预测应变之间的差异是合理的。
5. S-N的预测过于保守，而零件的应变寿命预测曲线的应变比较表明，锻钢转向节的寿命比铸铁转向节的寿命长一个数量级。
图1 从左到右分别显示锻钢，铸铝和铸铁转向节的数字化模型。
表1 用锻造钢和铸铝固结的有限元分析，通过应变计在零件测试中测得的应变值与数值进行比较
图2 典型载荷值的等效VON MISSES应力轮廓和临界位置
中心操作环境下的车辆和转向系统动力学
K. T. R. VAN ENDE1）*, F. KUuml;Ccedil;Uuml;KAY2）, R. HENZE2） ,F. K. KALLMEYER1) and J. HOFFMANN1)
1）德国沃尔夫斯堡的大众汽车集团研究/车辆动力学研究
2）德国不伦瑞克工业大学，法尔泽格技术研究所
摘要
车辆和转向系统的相互作用对于评估车辆对中的操控性很重要。为了分析在小方向盘角度输入时的车辆和转向系统动力学，本文开发了一种方法来验证仿真模型。提出的模型侧重于主要的集中处理现象和特征的描述。为了验证模型，描述了调整后的测试操作和实现高度可重现的测量数据的特定过程。由于收集到的测量数据，可以描述车辆的中心行为，并可以分阶段且更准确地验证整个模型。结果表明转向系统特性的重要性及其对低频低方向盘转角时对中心操纵的影响。除了转向系统的摩擦和弹性，还介绍了车辆和转向系统的磁滞回线的影响。
关键词：转向系统，中心操纵，车辆动力学，建模，测试设计，机电转向系统
：横向加速度
：前后轴滑移角
：转向柱扭转刚度
：转向柱最大刚度
：侧倾刚度
：转弯刚度
：接触片相对于轮辋的侧向刚度
：转向柱扭转阻尼
：差动力
：滚动阻尼
：方向盘角度
：小齿轮角
：扭转角
：转向柱的扭转角刚度函数
:ESF元件的受力
：ESF摩擦系数
：最大摩擦力
：最大分离力
：拉杆力
：轮胎侧向力
：前/后轴力
：杠杆滚动模型
：方向盘与车轮的比
：纵向惯性矩
：垂直惯性动量
：不受力时摩擦元件的刚度
：指数摩擦常数
：松弛长度
：转向柱摩擦扭矩
：扭矩
：伺服电机的动力辅助力矩
：机械轨迹
：气动轨迹
：小齿轮与转向齿条的比
：比例伺服电机至转向齿之比
：车速
1.引言
时至今日，转向系统仍是车辆总体评估的主要因素。同时，越来越多的机电转向系统被串联生产。尽管机电转向系统具有各种优势和许多自由度，但是这些系统的调整变得越来越复杂。在大多数情况下，这些转向系统是通过对专业测试驾驶员的主观评估来调整的。由于这些系统的复杂性增加，因此增加了调整工作，并因此增加了测试驱动程序的工作量。 在大多数情况下，缺少用于评估整个车辆和转向系统的客观方法或程序。特别是对中心操作范围的客观评估在很大程度上尚待探索。最近，有关该主题的几篇论文已经发表，并且对中心处理的重要性也越来越了解。
在以下各章中，本文还将重点介绍对中心处理范围的客观描述。主要目标是获得高度可重复的测量数据的方法学方法。该测量数据用于分阶段验证所提供的仿真模型，以实现更精确的结果。特别是，本文着重于再现车辆和转向系统的主要偏心操纵现象和特征。在第一章中，介绍了已实现的车辆模型及其集成增强功能，然后介绍了转向系统模型。该模型包括转向系统的所有主要组件，并实现了最大的对中操纵特性。需要测量数据来验证整体模型。这可以通过下一章中描述的测试设计来获得。除了适应相关要求之外，驱动测试操作的可重复性也非常重要。在这种情况下，稍后将介绍车辆和转向系统模型的分阶段验证。除了验证车辆系统参数之外，还针对转向中心操纵现象和特性提供了转向系统模型的优化。之后对本文获得的结果进行了概述。
2.建模
车辆和转向系统的建模是评估不同边界条件对系统动力学影响的一种方法。 正确实施的模型有助于分析理论研究并阐述建模系统的一般特征。通常，以高度抽象的形式简化和创建模型。通过这种方法，可以更清楚地指出建模系统的主要特征和现象，并且可以轻松识别不同子系统之间的相互作用。此外，抽象模型减少了计算时间。本文将集中于模型和方法的开发，以更详细地描述车辆的对中特性。 目的是在偏心操作的情况下，介绍车辆和转向系统的主要现象。
以下各章中描述的模型是基于著名的单轨模
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