基于底盘系统台架验证的下控制臂球头销优化.pdf

2023.06 Automobile Parts032研究与开发Research&Development收稿日期:2022-08-09作者简介:何鑫龄(1990),男,学士,工程师,主要从事汽车整车和底盘系统及零部件疲劳耐久试验验证工作。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.006基于底盘系统台架验证的下控制臂球头销优化何鑫龄,董远明,金彪,肖厦,周文件,周兆耀吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江宁波 315336摘要:作为重要的汽车底盘承力零部件,前悬架下控制臂承受和传递自轮胎到车身的路面冲击载荷,其强度及耐久性能表现直接关乎整车的使用寿命和乘员安全。以底盘系统验证过程中下控制臂球头销断裂问题为出发点,从多方面分析及横向对比排查产品本身及载荷强度问题;根据底盘系统试验结果对球头结构及表面热处理工艺等进行了优化,并通过了零部件试验验证。结果表明:控制臂球头销耐久寿命提升至少 4.2 倍,优化效果明显。关键词:底盘系统台架试验;下控制臂球头销;断口分析;损伤中图分类号:U467.3Optimization of Lower Control Arm Ball Joint Based on Chassis System Bench TestHE Xinling,DONG Yuanming,JIN Biao,XIAO Xia,ZHOU Wenjian,ZHOU ZhoayaoGeely Automobile Research Institute(Ningbo)Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315336,ChinaAbstract:As an important bearing part of automobile chassis,the lower control arm of the front suspension bears and transmits the road impact load from the tire to the vehicle body.Its strength and durability performance are directly related to the service life of the vehicle and occupant safety.Starting from the fracture problem of the lower control arm ball joint in the process of chassis system verification,the product itself and load strength problems were analyzed and horizontally compared from various aspects.According to the test results of chassis system,the ball joint structure and surface heat treatment process were optimized,and the test verification of parts were passed.The results show that the durability of the control arm ball joint is increased by at least 4.2 times,and the optimization effect is obvious.Keywords:chassis system bench test;ball joint of lower control arm;fracture analysis;damage0 引言在底盘系统验证过程中运行 37%耐久循环时,发现右侧下控制臂连接转向节处球头销断裂。运行 42%耐久进度时左侧下控制臂球头断裂,失效模式一致,耐久表现也相当。针对此问题,本文主要从以下几个方面展开问题原因排查:断口分析。通过宏观微观形貌特征确认1失效模式,分析产品本身的材料及制造质量问题。耐久载荷表现。确认下控制臂出现断裂时,其受力情况与耐久试验刚开启时差异如何,主要排除衬套状态引起的载荷变化。此车型耐久试验位置配载,轴荷与公司其他结构相似车型对比。基于轴荷比对及相似的悬架结构,具体到后下控制臂合力及整车 X 向 Y 向载荷横向对比,目标是否有过大,台架响应比对是否有过大。横向比对的车型验证历史,耐久性表现,是否可借鉴及优化参考。优化后零部件单件验证。1 底盘系统台架相关设置前悬架模型如图 1 所示,相比于传统的前麦弗逊悬架摆臂,此车型下控制臂分为前后两个摆臂,前下控制臂主要承受侧向力,后下控制臂可理解为二力杆。根据布置方式来看,其主要承受 X 向和 Y 向的力。前悬架全部通道迭代损伤结果见表 1。图 1 前悬架模型Automobile Parts 2023.06033Optimization of Lower Control Arm Ball Joint Based on Chassis System Bench Test基于底盘系统台架验证的下控制臂球头销优化表 1 前悬架全部通道迭代损伤结果序号通道名称目标信号台架响应损伤比1轮心力左侧 X 向4.1610212.7810210.672轮心力左侧 Y 向2.1210211.5310210.723轮心力左侧 Z 向3.6010212.1010210.584轮心力矩左侧 Mx1.9710301.3110300.675轮心力矩左侧 My5.8810294.9410290.846轮心力矩左侧 Mz1.7910293.4810291.947轮心力右侧 X 向4.9910213.1610210.638轮心力右侧 Y 向2.0510211.4510210.719轮心力右侧 Z 向3.6710212.2310210.6110轮心力矩右侧 Mx1.9910301.3110300.6611轮心力矩右侧 My5.8010294.7610290.8212轮心力矩右侧 Mz2.1410293.7010291.7213减震器位移左1.0610139.1210120.8614减震器位移右1.0610138.7810120.8315前下控制臂左侧2.2610221.7810220.7916前下控制臂右侧2.5410222.2010220.8717后下控制臂左侧3.5510223.3210220.9418后下控制臂右侧4.2510223.4210220.8019转向拉杆左1.9210211.1910210.6220转向拉杆右2.0110211.3510210.6721稳定杆连接杆左3.5010193.5710191.0222稳定杆连接杆右3.5110193.6510191.04耐久试验台架设置方面:根据下控制臂受载情况,可视两根下控制臂均为二力杆,采用贴应变片方式测量轴向力。优先控制臂受力,兼顾轮心力。前悬架全部 22个通道参与迭代2,前后下控制臂迭代结果见表 1。底盘悬架系统验证:采用虚拟模型提取载荷用于台架试验。驱动加载设备为 MTS329 多轴道路模拟试验机,迭代过程频率控制在 50 Hz 以内。由表 1 的损伤结果来看,后下控制臂全耐久循环下总损伤介于 0.800.94.左后、右后控制臂范围-对计数3结果分别如图 2和图 3 所示。图 2 左后控制臂范围-对计数结果图 3 右后控制臂范围-对计数结果左后、右后控制臂频域分析结果分别如图 4 和图 5所示。图 4 左后控制臂频域分析结果2023.06 Automobile Parts034研究与开发Research&Development图 5 右后控制臂频域分析结果由以上分析结果来看,后控制臂处载荷时域及频域复现很好,可以开始耐久试验。本文提及的球头失效问题,也是基于此分析结果进行耐久试验得出的。2 故障件失效分析对断裂的右侧下控制臂球头销进行理化分析,排查球头销本身的组织成分及制造质量问题。断口分析结果如图 6 至图 9 所示。图 6 右下控制臂球头销断裂实物图 7 断口宏观分析图 8 上端起始区微观形貌图 9 下端起始区局部疲劳特征由以上分析结果可知:上下端裂纹起始区,未见明显加工缺陷;断裂过程可见明显疲劳特征4-5;瞬断区有明显韧窝。后控制臂球头销断裂性质为:多源疲劳断裂6,裂纹源均位于倒角应力集中处;裂纹起始位置未见明显加工缺陷,制造质量过关。其余分析指标,金相组织、硬度及材料化学成分均符合标准要求。3 载荷谱横向对比排除样件本身的问题后,对耐久试验过程载荷水平进行横向对比。选取公司其他平台车型,质量相当且前悬架结构相似的车型作为对比车型,对比目标载荷谱及台架响应表现。此车型后下控制臂球头销 100%耐久试验过程中未出现任何失效问题。3.1 后下控制臂 37%断裂时载荷数据采集及分析更换了迭代时带传感器的下控制臂,选取 1 条全耐久循环内,此通道损伤占比较大(19.87%)的路面 A,回放驱动信号,采集下控制臂台架响应。37%断裂时台架响应时域信号如图 10 所示,台架响应极值载荷局部示意如图 11 所示,回放台架响应与迭代结果伪损伤比较见表 2。Automobile Parts 2023.06035图 10 37%断裂时台架响应时域信号图 11 台架响应极值载荷局部示意表 2 回放台架响应与迭代结果伪损伤比较耐久试验进度/%A 路面载荷谱伪损伤伪损伤比3737%回放台架响应1.4110190迭代结果响应1.5510190.91从时域信号及损伤对比结果来看,37%球头断裂时台架响应信号损伤是耐久开始前迭代结果响应信号的 0.91 倍,偏弱。所以在前 37%耐久试验过程中,下控制臂受力并无异常,通过试验过程控制问题可排除掉。3.2 后下控制臂载荷传感器试验车型后下控制臂实物如图12 所示,对比车型后下控制臂实物如图 13 所示。图 12 试验车型后下控制臂实物图 13 对比车型后下控制臂实物下控制臂结构相似,两个项目试验过程控制臂的力采集传感器都是采用中间部位贴应变片组桥形式测弯曲及测二力杆合力。3.3 控制臂目标载荷及台架响应对比本文对试验车型和对比车型目标载荷谱及台架响应分别从时域和损伤7-8两个角度进行分析。采用穿级计数和范围-对计数分别统计,结果如图 14 至图 17所示。图 14 左后目标谱及台架响应范围-对计数结果Optimization of Lower Control Arm Ball Joint Based on Chassis System Bench Test基于底盘系统台架验证的下控制臂球头销优化2023.06 Automobile Parts036研究与开发Research&Development图 15 右后目标谱及台架响应范围-对计数结果图 16 左后控制臂穿级计数图 17 右后控制臂穿级计数从范围-对计数结果来看,对比车型目标载荷要强于试验车型;台架响应对比来看,对比车型台架响应也要强于试验车型。从穿级计数结果来看,两者台架响应相当,在中等载荷水平为-11.4-25 kN,试验车型循环次数明显多于对比车型;大载荷水平为-25-35 kN,试验车型循环数明显少于对比车型。右侧同样也呈现相当的水平。然后通过总损伤统计来对比两车型响应表现。下控制臂目标及响应损伤横向对比结果见表 3。表 3 下控制臂目标及响应损伤横向对比结果项目位置目标信号损伤台架响应损伤试验车型后下控制臂左侧3.5510223.321022后下控制臂右侧4.2510223.421022对比车型后下控制臂左侧4.9910224.521022后下控制臂右侧5.7610225.171022损伤比后下控制臂左侧0.710.74后下控制臂右侧0.740.66由表 3 的对比结果可看出,试验车型目标信号损伤是对比车型的 0.710.74 倍,试验车型台架响应信号损伤是对比车型的 0.660.74 倍,试验车型表现均偏小。结合上文范围-对计数和穿级计数结果综合评估,试验车型下控制臂处载荷强度弱于对比车型。而对比车型在100%耐久试验后,并未发生断裂现象。载荷强度问题可排除。4 优化及验证针对以上排查结果进行设计优化。最终设计人员对球头结构和表面热处理工艺做了优化,优化前后参数对比见表 4,优化前后 CAE 强度及耐久分析结果见表 5。表 4 优化前后参数对比优化前优化后1.表面调质处理,表面硬度不小于 3239HRC;2.颈部直径为 15.6 mm;3.球销表面镀锌镍合金1.表面高频淬 火,淬 火层深度(1.60.6)mm,提高表面硬度至5561HRC;2.颈部直径为 18.8 mm;3.球销表面处理为久美特,满足leve1 防腐;4.摆角校核无问题Automobile Parts 2023.06037表 5 优化前后 CAE 强度及耐久分析结果参数优化前优化后目标值疲劳损伤值3.660.0590.25变形量/mm应变大,已开裂永久变形 0.0780.10球头销结构分析如图 18 所示。图 18 球头销结构分析同时对优化前后,后下控制臂进行零部件耐久试验,采用底盘系统目标载荷谱转化的块谱加载,复现故障和检验优化后疲劳表现。零部件试验块谱见表 6。表 6 零部件试验块谱程序谱循环次数/次范围/N均值/N幅值/N块谱 17040 000-10 00020 000块谱 22 80043 000-7 00021 500块谱 36 00037 000-4 50018 500块谱 413 00030 000-1 20015 000后控制臂零部件台架如图 19 所示。图 19 后控制臂零部件台架优化前 25 000 次断裂如图 20 所示。优化后大于 13万次加载未断裂如图 21 所示。图 20 优化前 25 000 次断裂图 21 优化后大于 13 万次加载未断裂从零部件试验结果来看,优化后耐久寿命较原寿命提升了至少 4.2 倍,优化效果明显。5 结束语本文从底盘系统试验下控制臂球头销断裂问题出发,对耐久试验过程涉及的关键环节包括产品本身、载荷强度、耐久试验过程控制等分析排查。根据合格产品载荷条件,横向对比载荷,评估载荷合理性。最终指导设计人员根据底盘系统试验结果优化失效件,并通过CAE 分析及零部件台架验证,将原寿命提升了至少 4.2倍,取得了非常明显的优化效果。参考文献:1 上海交通大学金属断口分析编写组.金属断口分析M.北京:国防工业出版社,1979:21-22.2 王霄锋,田应刚,冯正平,等.轿车前悬架多轴向加载模拟疲劳试验系统J.汽车技术,2001(7):20-23.WANG X F,TIAN Y G,FENG Z P,et al.Test system of multi-axial load and simulating fatigue of front suspension of car J.Automobile technology,2001(7):20-23.3 何鑫龄,董远明,周兆耀,等.基于幅值的疲劳载荷谱计数方法的应用研究J.汽车零部件,2022(5):43-49.HE X L,DONG Y M,ZHOU Z Y,et al.Application study of the fatigue test load spectrum counting method based on amplitudeJ.Automobile parts,2022(5):43-49.4 马鸣图.汽车材料和典型零件失效分析与延寿M.北京:化学工业出版社,2017:74-75.5 高镇同.疲劳应用统计学M.北京:国防工业出版社,1986:56-57.6 王仁智,吴培远.疲劳失效分析M.北京:机械工业出版社,2003:35-37.7 李飞,郭孔辉,丁海涛,等.汽车耐久性分析底盘载荷预测方法研究综述J.科学技术与工程,2010,10(24):5960-5964.LI F,GUO K H,DING H T,et al.Chassis loads prediction approach of vehicle durability analysis research 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