CN113609613A - 一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，涉及汽车零部件结构强度分析领域。本分析方法为首先建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据，然后进行贡献度分析，确定造成转向节断裂的贡献度最高的三个目标载荷分别为上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力，随后获取实际整车在过横沟误用工况下的上球头Y向力和转向拉杆点Y向力，对整车动力学模型进行修正以确定下前球头Z向力，复现断裂以得到转向节的结构强度参数，进行可靠度计算分析，以判断可靠度是否达标。本申请提供的分析方法解决了相关技术中对转向节断裂失效不能进行准确分析而导致转向节可靠度低及影响其使用性能的问题。

Description

一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法

技术领域

本申请涉及汽车零部件结构强度分析领域，特别涉及一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法。

背景技术

转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，汽车转向节的作用是传递并承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向，其中，车轮及制动器均装在转向节上，转向时，转向节就绕主销转动。转向节又称“羊角”，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，在实际行驶过程中，其不仅要承受地面通过轮胎对其的作用力，而且起到了连接汽车车身、悬架系统、前车轴、转向系统、制动器的桥梁枢纽作用，转向节恶劣的工作环境和特殊功能决定了其具有重要地位，但是也易受到横向的冲击载荷而发生变形、断裂，严重时还会导致交通事故的发生，因此，要求其具有较高的抗冲击强度。

在车辆的日常行驶工况下，转向节由于环境和受力原因，经常发声断裂或损坏，在需要进一步提升其强度性能的同时，分析其断裂的主要原因将具有很重要的意义。

在相关技术中，汽车前转向节在试验场整车过过横沟误用工况下一次性过载断裂失效，经典的分析方式是采用经验静载荷工况进行分析，但是其存在较多的不足之处。首先，在经典的分析方式中，其往往是根据经验工况提取静载荷，经验工况本身是做了简化，忽略了实际复杂的受力，容易忽略某些造成断裂失效的通道力，容易忽略多轴效应引起的失效；其次，传统的分析是通过经验判断分析转向节受力中哪一个力是造成断裂失效的主要原因，然后通过台架设计复现确认，传统方案虽然也进行虚拟台架验证解析原因，但是复现可能存在不成功，且无法从根本上解析为什么断裂，为什么试验不成功，这直接造成试验资源浪费，也对于改进的效果甚微。

发明内容

本申请实施例提供一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，以解决相关技术中对转向节断裂失效不能进行准确分析而导致转向节可靠度低及影响其使用性能的问题。

本申请提供了一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其包括：

S1.建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据；

S2.基于DOE试验设计法对理论载荷数据进行贡献度分析，确定造成转向节断裂的贡献度最高的三个目标载荷分别为上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力；

S3.获取实际整车在过横沟误用工况下的上球头Y向力和转向拉杆点Y向力；

S4.基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数、上球头Y向力和转向拉杆点Y向力，对整车动力学模型进行修正，基于修正后的整车动力学模型和实际整车的试验参数确定下前球头Z向力；

S5.复现转向节断裂以得到转向节的结构强度参数，利用结构强度参数与求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，以判断可靠度是否达标。

一些实施例中，所述以判断可靠度是否达标，包括：

判断计算得到的可靠度是否不小于预设可靠度，若是，则可靠度达标，若否，则需要进一步加强转向节的结构强度。

一些实施例中，所述分析方法还包括：

S6.对加强后的转向节进行台架断裂试验，获得结构加强后的强度参数，结合实际整车在过横沟误用工况下实际采集的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力，将加强后的结构强度参数与对应的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，若求得的可靠度小于预设百分数，则进一步加强转向节的结构强度，直到可靠度大于预设百分数，若不小于预设百分数，则达标；

一些实施例中，所述基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数、上球头Y向力和转向拉杆点Y向力，对整车动力学模型进行修正，包括：

基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数对整车动力学模型的对应参数进行调节，直至上球头Y向力和转向拉杆点Y向力均处于实际整车在过横沟误用工况下获取的实际测量范围内，且转向节上的应力最大位置与预设位置一致，则对整车动力学模型的修正结束。

一些实施例中，所述建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据，包括：

根据整车的参数信息建立整车动力学模型；

根据实际过横沟误用工况建立虚拟路面，在虚拟路面上对整车动力学模型进行仿真；

获取转向节在虚拟路面进行仿真时转向节所有接附点的理论载荷数据，对理论载荷数据进行分析，获得转向节断裂位置应力最大时的各个动载荷的大小及方向。

一些实施例中，实际整车在过横沟误用工况下的试验参数包括转向节轴头Z向加速度、减震器轴向力和弹簧回复力，利用转向节轴头Z向加速度、减震器轴向力、弹簧回复力和修正后的整车动力学模型，计算得到下前球头Z向力。

一些实施例中，所述利用结构强度参数与求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，包括：

对求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行正太拟合得到三个对应的概率密度函数，以得到转向节的真实载荷分布；

对求得的转向节的结构强度参数进行正太拟合以得到转向节的零部件的强度概率分布；

利用转向节的真实载荷分布和零部件的强度概率分布进行应力强度干涉可靠度计算分析，以求得可靠度。

一些实施例中，所述复现转向节断裂以得到转向节的结构强度参数，包括：

建立虚拟台架模型进行复现转向节断裂的试验，使虚拟台架模型发生断裂的位置与实际整车试验时转向节断裂位置一致，获取转向节的结构强度参数。

一些实施例中，在进行实际整车试验和台架断裂试验时，试验次数均不小于2次。

一些实施例中，预设可靠度不小于99％。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其通过先建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据，再进行贡献度分析，以得到确定造成转向节断裂的贡献度最高的三个目标载荷分别为上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力，随后基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数共同对整车动力学模型进行修正，以确定在实际整车试验中不能直接采集到的下前球头Z向力，最后复现转向节断裂得到转向节的结构强度参数，利用结构强度参数与求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，以判断可靠度是否达标。本分析方法克服了传统经验工况受力简单，与实际复杂受力不吻合造成分析不准确的缺点，解决了相关技术中对转向节断裂失效不能进行准确分析而导致转向节可靠度低及影响其使用性能的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的识别转向节多轴断裂失效的分析方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的识别转向节多轴断裂失效的分析方法的判断可靠度是否达标的流程图；

图3为本申请实施例提供的识别转向节多轴断裂失效的分析方法的对加强后的转向节的可靠度进行分析计算的流程图；

图4为本申请实施例提供的识别转向节多轴断裂失效的分析方法的获取整车动力学模型的理论载荷数据的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其能解决相关技术中对转向节断裂失效不能进行准确分析而导致转向节可靠度低及影响其使用性能的问题。

参见图1所示，本分析方法的步骤主要包括：

S1.建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据；

S2.基于DOE试验设计法对理论载荷数据进行贡献度分析，确定造成转向节断裂的贡献度最高的三个目标载荷分别为上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力；

S3.获取实际整车在过横沟误用工况下的上球头Y向力和转向拉杆点Y向力；

S4.基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数、上球头Y向力和转向拉杆点Y向力，对整车动力学模型进行修正，基于修正后的整车动力学模型和实际整车的试验参数确定下前球头Z向力；

S5.复现转向节断裂以得到转向节的结构强度参数，利用结构强度参数与求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，以判断可靠度是否达标。

进一步的，参见图2所示，判断可靠度是否达标的具体步骤包括：判断计算得到的可靠度是否不小于预设可靠度，若是，则可靠度达标，若否，则需要进一步加强转向节的结构强度。

进一步的，参见图3所示，所述分析方法还包括：

S6.对加强后的转向节进行台架断裂试验，获得结构加强后的强度参数，结合实际整车在过横沟误用工况下实际采集的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力，将加强后的结构强度参数与对应的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，若求得的可靠度小于预设百分数，则进一步加强转向节的结构强度，直到可靠度大于预设百分数，若不小于预设百分数，则达标；

进一步的，参见图4所示，建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据，其具体步骤包括：

根据整车的参数信息建立整车动力学模型；

根据实际过横沟误用工况建立虚拟路面，在虚拟路面上对整车动力学模型进行仿真；

获取转向节在虚拟路面进行仿真时转向节所有接附点的理论载荷数据，对理论载荷数据进行分析，获得转向节断裂位置应力最大时的各个动载荷的大小及方向。

具体的，整车的参数信息包括硬点、弹性件、轮距、轴距、重量转动惯量等参数，根据上述参数信息建立整车动力学模型后，根据实际过横沟误用工况路面创建尺寸一致的虚拟路面，在虚拟路面上对整车动力学模型进行仿真，仿真期间在虚拟路面通过整车动力学模型仿真获取转向节所有接附点时域内的载荷受力，其中，载荷受力即理论载荷数据包括含轮心6个分力在内的共21个力与力矩的时域曲线，并进行时域内动载结构分析，得出转向节断裂位置应力最大时各个接附点的力的大小与方向。

具体的，基于DOE试验设计法对理论载荷数据进行贡献度分析，确定造成转向节断裂的贡献度最高的三个目标载荷分别为上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力，其具体步骤包括：首先为了台架复现断裂，需要约束轮心，将上一步获取的转向节的部分接附点如上前球头、上后球头、下前球头、下后球头、转向拉杆点共计15个力定义为设计变量，将响应定义为断裂处应力，进行DOE试验设计。设计变量的方向与范围要合理，力的方向需要与第一步中应力最大时刻力的方向一致，大小范围通过CAE结构分析定义，不超过50KN。通过DOE分析可以得到上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力三个通道的力是对断裂处贡献度最高的三个力，且显示贡献度最高主要由这三个载荷造成，其他可以忽略。因此，可以明确的知道三个力共同作用的后果造成断裂处除了受拉应力，还受剪切应力，因此断裂是由多轴效应造成，且必须三个力同时达到一定值才能断裂。

具体的，在进行贡献度的分析后，需要进行实际整车在过横沟误用工况下的试验数据的采集，在实际整车的试验过程中，直接能够获取上球头Y向力和转向拉杆Y向力，下前球头Z向力则不能通过实际的试验采集得到，因此为了得到准确的实际参数，需要对其进行计算。另外，采集实际整车的试验数据的目的是获取整车试验时，零部件真实的载荷分布，具体操作是通过布置加速度传感器以及应变片等形式，采集上下摆臂球头XY向的力、弹簧位移、减震器轴向力、轴头Z向加速度等数据信息，然后按照试验规范60km/h过横沟工况进行试验至少三次，依次采集试验数据，获取多次试验数据。

进一步的，由于实际整车的试验中得不到下前球头Z向力，因此需要利用实际整车采集的其他试验数据以及整车动力学模型共同求出尽可能接近实际情况的下前球头Z向力的大小，而整车动力学模型在之前需要根据实际整车采集的试验数据进行修正，以保证下前球头Z向力的准确性。于是，基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数、上球头Y向力和转向拉杆点Y向力，对整车动力学模型进行修正，其具体步骤包括基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数对整车动力学模型的对应参数进行调节，直至上球头Y向力和转向拉杆点Y向力均处于实际整车在过横沟误用工况下获取的实际测量范围内，且转向节上的应力最大位置与预设位置一致，则对整车动力学模型的修正结束。实际整车在过横沟误用工况下的试验参数包括转向节轴头Z向加速度、减震器轴向力和弹簧回复力，利用转向节轴头Z向加速度、减震器轴向力、弹簧回复力和修正后的整车动力学模型，计算得到下前球头Z向力。其中，整车动力学模型需要修正的参数还包括轮胎参数、衬套刚度阻尼、减震器阻尼、缓冲块等，预设位置指位于轮速传感器孔位置，与实际失效位置一致，当调节到均满足上述条件后，则认为误差可以接受，整车动力学模型比较合理。

进一步的，利用结构强度参数与求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，其具体步骤包括：

对求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行正太拟合得到三个对应的概率密度函数，以得到转向节的真实载荷分布；

对求得的转向节的结构强度参数进行正太拟合以得到转向节的零部件的强度概率分布；

利用转向节的真实载荷分布和零部件的强度概率分布进行应力强度干涉可靠度计算分析，以求得可靠度。

进一步的，复现转向节断裂以得到转向节的结构强度参数，其具体步骤包括：建立虚拟台架模型进行复现转向节断裂的试验，使虚拟台架模型发生断裂的位置与实际整车试验时转向节断裂位置一致，获取转向节的结构强度参数。

具体的，利用对标后合格的整车动力学模型以及多次实际整车试验采集的数据，可以计算求得下前球头Z向力的多次受力。至此三个通道的多次实采载荷获取完毕，其中，在进行实际整车试验和台架断裂试验时，试验次数均不小于2次，从合理和误差的角度分析，试验次数优选为3次。于是通过对三个通道进行正态拟合得到三个概率密度函数，获取了真实的载荷分布，实际整车试验中零部件承受的载荷将与后面台架试验获取的零部件强度进行应力强度干涉分析，判断是否满足可靠性目标。

具体的，复现转向节断裂以得到转向节的结构强度参数的步骤包括：设计虚拟台架复现断裂，明确三个通道所需的力大小用于设计制造台架试验工装，然后出具约束轮心，三个通道加载的物理样件台架试验方案，进行物理试验验证，进行至少两次，随后台架均复现了断裂，断裂位置与实际整车试验断裂处一致，均位于轮速传感器孔位置，复现了断裂，证明了该断裂主要由拉应力与剪切应力造成，而不是只有拉应力，通过至少两次台架试验获取得到了转向节零部件的结构强度，经过正太分布拟合得到了转向节零部件该失效模式下的强度概率分布。

进一步的，预设可靠度不小于99％，进一步加强转向节的结构强度的具体步骤包括：根据台架复现断裂的结果，虚拟CAE台架对标，调整CAE模型，使得虚拟CAE台架模型与实际误差更小，虚拟台架试验将用于设计优化方案的验证，优化方案主要是通过优化断裂的位置，将最薄弱位置厚度增加大约5mm，周边局部增强，上摆臂到断裂处传递路径加强，下球头到断裂处传递路径加强。根据预设可靠度99％，以及载荷分布以及强度概率分布，可以预估虚拟CAE台架试验通过的条件，即强度均值载荷下不断裂；若优化的转向节结构能够在虚拟台架中能够通过台架强度试验，则制造真实的新样件，做与旧样件一致的断裂台架试验，试验后获取了新样件的实际断裂时三个点的载荷分布，再进行优化后新样件的可靠度计算验算及整车试验验证。对新样件台架试验获取的载荷计算新样件在该断裂失效模式下的可靠度，与实采载荷进行应力强度干涉分析，经过计算可靠度不小于99％，认为满足目标99％的要求，随后整车搭载该新样件通过试验场整车横沟误用路试，证明优化方案是有效的，也说明整个计算分析方法是可行的。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于，其包括：

S1.建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据；

S2.基于DOE试验设计法对理论载荷数据进行贡献度分析，确定造成转向节断裂的贡献度最高的三个目标载荷分别为上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力；

S3.获取实际整车在过横沟误用工况下的上球头Y向力和转向拉杆点Y向力；

S4.基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数、上球头Y向力和转向拉杆点Y向力，对整车动力学模型进行修正，基于修正后的整车动力学模型和实际整车的试验参数确定下前球头Z向力；

S5.复现转向节断裂以得到转向节的结构强度参数，利用结构强度参数与求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，以判断可靠度是否达标。

2.如权利要求1所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于，所述以判断可靠度是否达标，包括：

判断计算得到的可靠度是否不小于预设可靠度，若是，则可靠度达标，若否，则需要进一步加强转向节的结构强度。

3.如权利要求2所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于，所述分析方法还包括：

S6.对加强后的转向节进行台架断裂试验，获得结构加强后的强度参数，结合实际整车在过横沟误用工况下实际采集的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力，将加强后的结构强度参数与对应的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，若求得的可靠度小于预设百分数，则进一步加强转向节的结构强度，直到可靠度大于预设百分数，若不小于预设百分数，则达标。

4.如权利要求1所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于，所述基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数、上球头Y向力和转向拉杆点Y向力，对整车动力学模型进行修正，包括：

基于实际整车在过横沟误用工况下的试验参数对整车动力学模型的对应参数进行调节，直至上球头Y向力和转向拉杆点Y向力均处于实际整车在过横沟误用工况下获取的实际测量范围内，且转向节上的应力最大位置与预设位置一致，则对整车动力学模型的修正结束。

5.如权利要求1所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于，所述建立整车动力学模型，获取转向节在过横沟误用工况下的理论载荷数据，包括：

根据整车的参数信息建立整车动力学模型；

根据实际过横沟误用工况建立虚拟路面，在虚拟路面上对整车动力学模型进行仿真；

获取转向节在虚拟路面进行仿真时转向节所有接附点的理论载荷数据，对理论载荷数据进行分析，获得转向节断裂位置应力最大时的各个动载荷的大小及方向。

6.如权利要求1所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于：实际整车在过横沟误用工况下的试验参数包括转向节轴头Z向加速度、减震器轴向力和弹簧回复力，利用转向节轴头Z向加速度、减震器轴向力、弹簧回复力和修正后的整车动力学模型，计算得到下前球头Z向力。

7.如权利要求6所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于，所述利用结构强度参数与求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行可靠度计算分析，包括：

对求得的实际整车的上球头Y向力、下前球头Z向力和转向拉杆点Y向力进行正太拟合得到三个对应的概率密度函数，以得到转向节的真实载荷分布；

对求得的转向节的结构强度参数进行正太拟合以得到转向节的零部件的强度概率分布；

利用转向节的真实载荷分布和零部件的强度概率分布进行应力强度干涉可靠度计算分析，以求得可靠度。

8.如权利要求1所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于，所述复现转向节断裂以得到转向节的结构强度参数，包括：

建立虚拟台架模型进行复现转向节断裂的试验，使虚拟台架模型发生断裂的位置与实际整车试验时转向节断裂位置一致，获取转向节的结构强度参数。

9.如权利要求3所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于：在进行实际整车试验和台架断裂试验时，试验次数均不小于2次。

10.如权利要求1所述的一种识别转向节多轴断裂失效的分析方法，其特征在于：预设可靠度不小于99％。

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