識別V型推力桿桿體失效的雙向疲勞試驗設計及應用

王葉青， 林達文， 王 進， 王峰宇， 劉曉倩

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南 株洲 412000)

V型推力桿(以下簡稱V桿)是多軸汽車平衡懸架的關鍵零部件之一，目前已廣泛應用在大型客車和重型汽車上[1]。在車輛運行過程中，V桿需要傳遞驅動力、制動力、離心力及相應的力矩，在上述力和力矩的長期疊加作用下，容易出現疲勞失效現象[2]。目前，對V桿失效的研究主要集中在橡膠球鉸上[3]，而對V桿桿體的失效分析及試驗驗證的研究較少，但實際運行中出現過金屬桿體失效的情況。因此，本文通過分析V桿結構及承載形式，依據某車型V桿實測路譜的等效載荷條件，進行多種試驗方案的設計，并運用Abaqus對“縱向+橫向”雙軸疲勞進行有限元分析，對雙軸疲勞試驗失效形式進行預測，為V桿的設計開發提供參考。

1 V桿結構及承載形式

1.1 基本結構

推力桿根據外型主要分為I型直桿與V型桿[4]；直桿結構簡單，由直線套管、兩端球頭裝配橡膠球鉸組成，目前應用廣泛，技術研究較成熟；V桿主要由大端球頭、大端球鉸、兩側向套管(成一定的夾角)、小端球頭和小端球鉸組合而成，結構復雜，具體如圖1所示。通過壓裝工藝將大、小端球鉸分別裝配到大、小端球頭中，再由擋圈封裝。大、小端球頭之間的連接是由兩個連接套管將大、小端頭桿部熱鉚接在一起，由此形成了推力桿總成[4]。

1.2 承載形式

V桿是連接車橋與車架的關鍵部件，一般成對使用，主要起傳力、導向、限位和減振功能[5-6]。V桿大端球鉸通過螺栓與車橋連接，兩個小端球鉸通過螺栓與車架相連，從而傳遞車橋與車架之間的力[4]。車輛運行牽引方向V桿主要受縱向動態載荷，轉向過程中主要受橫向動態載荷，同時車體垂向方向存在一個相對位移，三種工況復合時受到扭轉及偏轉載荷[7]，承載方向示意圖如圖1所示。

1-大端球頭； 2-大端球鉸； 3-兩側向套管；4-小端球頭； 5-小端球鉸

2 V桿桿體疲勞有限元分析

首先用有限元軟件Abaqus對V桿金屬桿體的復雜工況“縱向+橫向”雙向疲勞進行有限元分析，為后面疲勞試驗確定產品失效位置提供參考。桿體組成材料的有關參數見表1。

表1 V桿桿體材料參數表

通過對某型車上V桿實測路譜的等效載荷進行分析，確定“縱向+橫向”雙向疲勞有限元分析的輸入條件，見表2。縱向按頻率0.9 Hz累計循環532 980次，橫向按頻率1 Hz累計循環634 200次。

表2 V桿雙向疲勞有限元分析輸入條件

仿真分析結果顯示：V桿桿體在受到“縱向+橫向”的復合加載下，V桿金屬部件的多數區域疲勞強度因子大于1，這意味著其耐用性有足夠的富余空間，滿足疲勞壽命要求。但關鍵區域疲勞強度因子接近并小于1，可推斷該區域可能存失效風險，具體位置如下：大端球頭殼體邊緣及其與兩側向套管相連接跟部的疲勞強度因子接近1，屬于薄弱處，存在斷裂風險，如圖2所示；兩側向套管與大小端球頭旋合鉚接處疲勞強度因子接近1，屬于薄弱點，存在斷裂風險，如圖3所示；小端球頭與兩側套管連接跟部處疲勞強度因子接近1，屬于薄弱點，存在斷裂風險，如圖4所示。

3 試驗方案

3.1 檢驗依據及設備

目前國內V桿的靜態性能及疲勞性能試驗暫無可參考的標準，僅有針對V桿中橡膠球鉸的靜態及疲勞性能的標準GB/T 35180—2017 《商用車空氣懸架推力桿橡膠鉸接頭技術規范》[8]。因此本文進行V桿桿體失效試驗及分析時，暫不考慮橡膠球鉸的影響，采用金屬關節代替橡膠球鉸，根據V桿的承載形式，依據路譜等效載荷，制定多種V桿桿體疲勞失效的試驗方案，具體為縱向疲勞試驗、橫向疲勞試驗、“縱向+橫向”雙向疲勞試驗。試驗方案對力源和控制系統要求較高，涉及到相位和耦合問題。V桿試驗在國家軌道交通高分子材料及制品質量檢驗檢測中心進行。試驗設備采用多通道電液伺服協調加載系統，滿足試驗要求。

3.2 縱向疲勞試驗方案

依據V桿在車輛運行牽引方向受到的縱向動態載荷，設計了兩種疲勞試驗方案，分別是雙頭加載和單頭加載。雙頭加載如圖5所示：將V桿兩側小端球頭壓裝金屬關節與試驗工裝固定在試驗基臺上，大端球頭壓裝金屬關節與試驗機作動器連接，沿V桿縱向加載。單頭加載如圖6所示：將V桿的單側小端球頭壓裝金屬關節與試驗機作動器連接，大端球頭壓裝金屬關節用工裝底座固定在試驗基臺上，沿單側側向套管方向加載。

圖5 V桿桿體縱向疲勞試驗-雙頭加載

圖6 V桿桿體縱向疲勞試驗-單頭加載

雙頭加載時，縱向疲勞載荷為±150 kN，頻率為1 Hz，循環100萬次；單頭加載時，當V桿兩側向套管夾角為50°時，載荷為±150×cos(25°)≈136 kN，頻率為1 Hz，循環100萬次。

3.3 橫向疲勞試驗方案

依據V桿在車輛轉向時受到的橫向動態載荷，設計方案如圖7所示，將V桿小端兩球頭壓裝金屬關節用工裝固定于三角機架上，大端球頭壓裝金屬關節沿軸線方向采用轉接頭與試驗機作動器連接，沿V桿橫向加載。試驗條件：橫向疲勞載荷±100 kN，頻率為1 Hz，循環100萬次。

圖7 V桿桿體橫向疲勞試驗

3.4 “縱向+橫向”雙向疲勞試驗方案

依據V桿在車輛運行中同時受到縱向、橫向兩種動態載荷工況，本文設計了一種“縱向+橫向”雙向疲勞試驗裝置[9]。試驗方案主要由設備機架、縱向電液伺服加載系統、橫向電液伺服加載系統、“縱向+橫向”雙向疲勞試驗裝置、V桿桿體、設備地基組成，如圖8所示。將V桿小端兩球頭壓裝金屬關節固定在試驗裝置的下平臺，下平臺與地基固定；大端球頭壓裝金屬關節后通過兩個萬向球頭關節分別與縱向、橫向加載系統作動器鉸接連接，試驗時縱向、橫向作動器協調加載作用在V桿桿體上。試驗條件與仿真分析相同，即按表2進行施加。

4 結果與分析

V桿桿體單獨進行縱向、橫向疲勞試驗時，桿體外觀無破壞、斷裂現象；進行“縱向+橫向”雙向疲勞試驗結果及有限元分析結果見表3：試驗進行到694 750次時V桿桿體發生斷裂破壞，斷裂時載荷處于最大區間處。試驗斷裂失效位置位于桿體大端球頭與側向套管連接根部處，如圖9所示。

表3 V桿雙向疲勞試驗結果

圖9 V桿桿體雙向疲勞試驗斷裂位置

V桿桿體雙向疲勞試驗斷裂處與有限元分析疲勞強度因子0.593 8的位置具有很好的一致性。因此，疲勞試驗與有限元分析相結合的方式對V桿桿體失效位置的識別及結構的優化具有較好的指導作用。

5 結束語

本文通過分析V桿的結構和承載形式，制定了多種疲勞試驗方案，依據實測路譜信息等效載荷條件，進行“縱向+橫向”雙向疲勞有限元分析及試驗驗證，結果表明V桿桿體疲勞試驗斷裂失效位置與有限元分析的疲勞強度因子小于1的位置具有較好的一致性，試驗設計符合預期，準確地再現了其失效模式，能夠為后續V桿的試驗設計及產品研發提供參考。