車輛控制臂疲勞損傷分析與壽命預測探討

楊精剛

摘 要：近年來，隨著社會的不斷進步以及經濟的迅猛發(fā)展，人民生活水平顯著提升，車輛利用率逐年攀升，其重要性不容忽視?？刂票圩鳛槠噾覓煜到y(tǒng)的傳力及導向元件，在整個車輛系統(tǒng)占據著關鍵的應用地位，其所具有的性能特性直接影響著汽車懸掛系統(tǒng)的綜合性能，針對車輛構件由于疲勞問題產生過早失效破壞，造成失效概率大幅度增加的問題，為起到良好的預防作用，使得車輛疲勞耐久性能得以優(yōu)化提升，則需針對車輛控制臂疲勞損傷分析及壽命預測進行簡要探討。

關鍵詞：車輛；控制臂；疲勞損傷；壽命預測

前言

通常而言，控制臂同時又可被稱作是擺臂，其在車輛懸掛系統(tǒng)占據著重要的地位，可謂是此系統(tǒng)中關鍵的安全功能構件，懸掛系統(tǒng)所具備的相應性能會受到控制臂質量的直接影響，進而使得整個車輛的操縱穩(wěn)定性及行駛平穩(wěn)性遭受一定影響，為此需控制優(yōu)化控制臂構件，采用有限元方法針對車輛控制臂展開疲勞損傷分析及壽命預測。

1 車輛控制臂疲勞損傷分析與壽命預測

1.1 建立有限元模型

在車輛日常運行過程中，控制臂的作用主要為起到良好的承載作用，可謂是路面激勵通過車輪傳向車身的關鍵承載構件，通常而言，車輛控制臂所面臨最為急迫嚴峻的問題為疲勞損壞，為更好地實現后續(xù)分析工作，則需構建相應的車輛三維模型，如圖1所示，在副車架位置控制臂兩點實現合理鉸接，其中，一端球跟轉向節(jié)低端進行連接，該處主要承受的是來自于軸頭位置處的車輪側、縱向力，與此同時，側向力及縱向力基于相同平面。

1.2 確定構件損傷關鍵點

在該項工作實施中，為將車輛控制臂相應的荷載測試點位置及時確定下來，則需有效運用有限元分析軟件，針對所構建的車輛控制臂三維模型展開合理的網格劃分，結合實際結構情況，基于副車架連接點位置進行約束的有效添加，該處擁有圍繞X軸轉動的自由度，基于軸頭連接位置處能夠分別按照側向以及縱向完成荷載的有效添加，在此需要注意的是側向即指Y向，縱向即指X向，具體而言，側向需結合急轉彎狀況實現荷載添加，縱向則能夠根據制動狀況完成添加荷載，而后實施合理的有限元分析工作，上圖為車輛控制臂添加荷載之后的應力分布簡圖，分析可知，在車輛控制臂的第32867個節(jié)點位置處其對應的最大側向荷載應力為302MPa，在車輛控制臂的第26401節(jié)點位置處其對應的最大縱向荷載應力是294MPa，也就是說分別是在轉向節(jié)連接過渡位置及副車架后點連接過渡位置。

1.3 測試

在車輛實際運行進程當中，針對其控制臂構件所承受的荷載實現準確獲取，結合相應的有限分析結果，能夠將測點和相應的貼片布置方案及時確定下來，運用電阻應變計設備進行優(yōu)化測試，電阻應變計的電阻是350歐姆，進行具體布置的時候需沿著受力方向實施對稱布置。參考相應車輛耐久性試驗測試規(guī)范，結合具體的車輛疲勞荷載譜獲取目的，能夠選擇交通部公路交通試驗場綜合路況實施相應的荷載測試工作，測試軟件為模塊化數據采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的精度小于等于百分之一，相應的采樣頻率能夠到達100kHz，為使所得試驗結果擁有較高的科學可信程度，并將試驗過程中所存在的主觀因素直接影響直接消除，為此需實施六次重復試驗，同時沒進行兩次便需完成一名駕駛人員的更換。

在具體的測試實施過程中，第一，首先需要完成的工作室配備試驗車輛，選擇測試道路，擇取合適的車輛駕駛人員，具體來說，所選車輛的相應信息為額定荷載質量是1686千克，次車輛前軸及后軸能夠滿足52比48的比例需求，車輛輪胎對應的標準氣壓是230千帕，選擇交通部公路試驗場作為是試驗道路，擇取試車場駕駛員作為是試驗車輛駕駛人員；第二，有效合理的相應的儀器設備，進行應變片的有效粘帖，將各類型傳感器設施認真安裝好，并實現在數據采集系統(tǒng)中的有效接入，將各個通道線組及時消除，進行通道名稱及通道數量等相關參數的優(yōu)化設置，采樣頻率能夠設置為五百赫茲；第三，實施有效的預測試分析工作，具體來說，需擇取相對較為典型的路程狀況，針對多個小段信號實施采集工作，就信號的合理性及相應的完好程度展開優(yōu)化觀察；第四，針對道路相關的荷載情況實施合理測試，結合規(guī)定給出的路段及車速，需進行六次荷載信號測試，完成每次測試之后需針對具體的設備情況和數據信息實施及時合理的檢測，由于此次測試僅僅針對的是車輛控制臂疲勞損傷問題，為此只針對控制臂對應的兩個測點通道信號展開合理化分析。

如圖4所示，在P1測試點，在石塊路乙路況下，車輛控制臂擁有最大的應變均值，然而在石塊路丙路況下，車輛控制臂對應的應變均值相對較大，所有的最大應變均值出現于石塊路乙路況中；在P2測試點中，相較于P1測試點而言，其相應的應變均值相對較小，在扭曲路以及長波路段、石塊路乙中會體現最大均值應用。

1.4 分析處理信號

通常而言，汽車試驗場實際路況環(huán)境相對較為惡劣，運行工況有著很強的綜合性，導致形成的荷載狀態(tài)擁有較強的隨機性特征。然而，就每個試驗綜合路況而言，其所形成荷載存在有一定的統(tǒng)計規(guī)律。對于車輛控制臂所產生的荷載測試信號，能夠運用副值門限方法將異常峰值情況及時去除，實施功率譜分析措施。分析可得，車輛控制臂跟車輪一側連接點的對應能量通常集中于四十赫茲之內，對應的共振頻率是十四赫茲；車輛控制臂跟副車架連接點位置處的能量通常集中于十五赫茲，主頻為2.1荷載，能夠充分滿足相應的車體結構振動頻率范圍要求。結合具體的功率譜密度實施有效分析，在實際的測試進程當中，車輛控制臂荷載測試的輸出信號是低電平信號，與此同時，仍然存在有由于噪聲干擾以及電壓干擾等導致的不良信號，為此需采取相關有效措施進行優(yōu)化處理，運用低通濾波手段能夠針對所產生的測試信號實施濾波處理，對應頻率分別設置為十五赫茲及四十赫茲，進而實現對車輛控制臂荷載測試信號的有效處理。

1.5 疲勞損傷分析及壽命預測

運用疲勞分析軟件，結合相應的疲勞缺口系數，基于理論方式，能夠進行車輛控制臂疲勞損傷及壽命預測程序的合理編制，經過一系列的合理計算，進而獲得車輛控制臂的疲勞損傷分布情況。具體來說，如上圖所示，P1測試點存在有相對較為嚴重的總體損傷情況，且通常是在石塊位置出發(fā)生較大損傷問題，在試驗測試場中石塊路中存在有較多彎道情況，此處跟P1點受側向力的工況有著較大一致性；P2測試點在扭曲路段及長波路段存在有相對較為集中其較大的損傷情況，尤其是在石塊路段，該測點位置的損傷會突然加大，然而改點的小損傷值相對較為普遍一些。損傷值突然加大跟試驗路段石塊路彎道處加減速工況是有著直接必然聯系，也就是說引起車輛控制臂縱向受力發(fā)生變化。分析可知，P1點壽命相較于P2點而言遠遠較大，主要原因在于P1點直接與車輛轉向節(jié)相連而受到的路面載荷狀況相符。根據測點損傷壽命計算結果可以指導P1點擁有最短壽命，即為3.96 萬h，其能夠代表車輛控制臂結構件的整體壽命。

2 結束語

對于車輛而言，控制臂構件占據著關鍵的應用地位，為針對其疲勞耐久性展開較為深入的研究，則需有效地實施疲勞損傷及壽命預測分析工作?；谟邢拊治鍪侄危軌驅④囕v控制臂疲勞損傷位置較為準確合理地確定下來，使得相應的荷載測試工作能夠擁有可靠的測點位置，即為車輛控制臂跟副車架及軸頭的連接的過渡位置處，提及車輛控制臂荷載測試相應的信號處理分析進程，將其低通濾波頻率分別確定為四十赫茲及十五赫茲，通過一系列有效分析之后能夠指導荷載信號頻率能量在十五赫茲較為集中，且所得結果能夠滿足車體結構頻率范圍要求；運用局部應力應變法與疲勞積累損傷準則，有效地集中修正控制臂疲勞缺口應力，認真實現車輛控制臂疲勞損傷分析及壽命預測工工作，可知試驗車輛的控制臂疲勞損傷壽命是3.96萬小時，相較于試驗場對應的實際道路狀況而言，其損傷分布的符合程度較高。該項分析能夠為車輛構件耐久性研究提供良好基礎，盡可能避免車輛控制臂發(fā)生過早失效情況。

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