【正文】 示意圖 臺(tái)架平面鋼板 臺(tái)架平面由上下二塊鋼板組成。 加載裝置所安裝的位置除了鋼板外，沒有其他固定裝置，因此加載裝置下還需要設(shè)計(jì)一些加強(qiáng)肋，見圖 。所以臺(tái)架支架與臺(tái)架平面的連接需要安裝連接角鐵，見圖 。該螺栓是在定位螺栓的基礎(chǔ)上，多加了一個(gè)球針上體，見圖 。 F 圖 拉線式傳感器測量原理示意 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 25 這時(shí)拉線式測量將會(huì)有較大的偏差，所需測量的應(yīng)該是 X軸方向上的位移，即所需測量的位移是直角邊；而實(shí)際測量到的是中心點(diǎn)所經(jīng)過的軌跡是斜邊。測量儀器用吸 石吸附在臺(tái)架平面的支架上。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 26 1－ U型鎖； 2－ 力傳感器； 4－套環(huán)； 5－加載裝置； 6－固定架 圖 試驗(yàn)加載裝置 由于安裝的誤差，加載力所在平面和轉(zhuǎn)向盤中心所在平面并不重合，它們上下偏移產(chǎn)生了偏差 ， 見圖 。 FFyFx 圖 轉(zhuǎn)向盤平面與加載力不同面時(shí)，加載力分析示意圖 繪制載荷與位移關(guān)系圖 根據(jù)從傳感器上測量到的數(shù)據(jù)分別繪制出向左、向右和向下時(shí)的載荷與位移關(guān)系圖，見圖 、 。整個(gè)臺(tái)架會(huì)受到向左、向右和向下三個(gè)方向的加載力，現(xiàn)在分別對(duì)此三個(gè)加載力施加時(shí)臺(tái)架的受力和變形進(jìn)行上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 30 分析計(jì)算，并校核剛度和強(qiáng)度。根據(jù)型鋼表可知，角鐵 GB9788－ 88（ 8/5）的理論質(zhì)量等于 。顯然在 x軸方向上的分力只有 BAF 提供，即 0BAF ? ； 圖 只作用重力時(shí)，設(shè) 1G 方向?yàn)?y 軸方向，垂直于 1G 方向?yàn)?x 軸方向，根據(jù) B點(diǎn)平衡方程 c o s c o sC B A BX B C A F C A B F? ? ? ? ? ? ? 1 s i n s i nA B C BY G F C A B F B C A? ? ? ? ? ? ? ? 得 ? ， ? 臺(tái)架支架校核 臺(tái)架支架 AB的受力情況，見圖 。 2． 計(jì)算最大正應(yīng)力 max? 軸力正應(yīng)力公式為 NN FA? ? ?????????????????????????? () NF — 軸力 A — 截面面積， 根據(jù)圖 ? ，根據(jù)型鋼表可知 cm? ，將值代入式 42 1 8 . 8 2 . 8 97 . 5 6 1 0NN F M P aA? ?? ? ?? ?????????????? () 彎曲正應(yīng)力公式為 MMIy? ? ?????????????????????????? () M — 彎矩 I — 慣性矩 y — 橫截面上點(diǎn)離中性軸的距離 根據(jù)圖 N m??，根據(jù)已知條件可知 cm? ，根據(jù)圖 max cm?上 ， max cm?下 ，將數(shù)值代入式 ，得 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 38 MPa? ?壓 ??????????????????????? () MPa? ?拉 ??????????????????????? () 由疊加原理可知 NM? ? ??＝ ???????????????????????? () 將式 、式 ，得 1 .7 5 2 .8 9 4 .6 4 P M a? ? ? ?壓 ， 3 .5 3 2 .8 9 0 .4 6 M P a? ? ? ?拉 得 m a x 4 .6 4 M P a??壓＝ ＝ 3． 計(jì)算最大彎曲切應(yīng)力 max? 彎曲切應(yīng)力公式為 ()() szzFSy Ib?? ? ??????????????????????? () sF — 剪力 ()zS? — y 軸一側(cè)部分截面 ?對(duì) Z 軸的靜矩 zI — 截面對(duì)中性軸 Z 的 慣性矩 b — 截面寬度 根據(jù)圖 5。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 43 BG 1FCBF Ay 圖 向左加載時(shí) B點(diǎn)受力情況 250FN? ， 臺(tái)架支架校核 臺(tái)架支架 AB的受力情況，見圖 。 根據(jù) ，徑向彈力測試的數(shù)據(jù)都是精確到 ，顯然臺(tái)架剛度必須保證這 個(gè)要求。 6 結(jié)論 就目前的轉(zhuǎn)向柱臺(tái)架試驗(yàn)來看，多以實(shí)車試驗(yàn)為主，各類試驗(yàn)主要是圍繞轉(zhuǎn)向柱的強(qiáng)度和剛度來進(jìn)行的?？紤]到螺栓連接的不可靠性，在臺(tái)架平面安裝時(shí)，使用了定位銷，保證試驗(yàn)時(shí)不會(huì)因?yàn)檫x用螺栓連接而產(chǎn)生多余的安裝間隙； 3．測 量裝置選用千分表和激光位移傳感器的共用的方式取代原來的拉線式傳感器，避免由于安裝原因?qū)е碌霓D(zhuǎn)向柱剛度不均勻而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向盤中心的位移偏移，提高了測量精度； 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 48 4．加載裝置利用螺紋螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，進(jìn)行循環(huán)加載。 該拉桿是由兩部分裝配在一起 :螺紋部分和一個(gè)擁抱。包括外觀檢查，圖片文檔，化學(xué)分析，剛度測試，金相檢驗(yàn)。汽車的麥弗遜懸架和齒條齒輪式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) , 拉桿連接到機(jī)架上的轉(zhuǎn)向節(jié)，見圖 2。這一調(diào)整是用來確定汽車的位置 ,一個(gè)臨界線的角度看 , 有時(shí)稱為連鑄機(jī)和側(cè)傾角度。一般而言 ,每類故障根據(jù)損壞的特征 , 并詳細(xì)檢查 ,往往產(chǎn)生足夠的資料以確定損壞的原因 . 一般類型的拉桿失效模式包括疲勞 ,沖擊斷裂 ,磨損及應(yīng)力破裂。然而 ,問題還是發(fā)生 ,特別是由于制造誤差或使用不當(dāng)。汽車驅(qū)動(dòng) ,近兩年來 ,并已注冊不到三萬公里。當(dāng)?shù)氐钠嚱?jīng)銷商 ,對(duì)于司機(jī)的情況了解后，認(rèn)為責(zé)任不在他們這，理由是每年制造商產(chǎn)生了數(shù)以千計(jì)的這類車輛 , 直到現(xiàn)在仍然運(yùn)行良好，全世界沒有任何一則報(bào)道關(guān)于這類車的嚴(yán)重事故。外拉桿末端 1:5 部分 ,仍完好 , 除了兩個(gè)疤痕 ,在其周邊可能發(fā)生的螺紋部分分成兩塊。給人的視覺美觀的擁抱部分片段 ,其中的螺紋部分 ,無論是朝上。掃描電子顯微鏡 ( SEM )配備 EDAX 等設(shè)施和一個(gè)光學(xué)顯微鏡被用來進(jìn)行調(diào)查 . 結(jié)果與討論化學(xué)分析用原子吸收光譜進(jìn)行了幾個(gè)地點(diǎn)的損壞螺紋部分的拉桿端的平均值試驗(yàn)結(jié)果列于表 1。表面硬度的裂縫拉桿端測得 的剛度。這是一個(gè)典型的疲勞斷裂 ,裂紋起源于邊緣的光滑區(qū)和繁殖實(shí)現(xiàn)粗糙區(qū) ,這是最后的損壞。 一個(gè)樣本的斷裂面是增大的 ,并觀察在掃描電子顯微鏡 ( SEM )。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 58 圖 5 鏡顯示裂紋區(qū)域 起源的裂紋四周灘痕跡 . 另外 , 斷口在疲勞區(qū)域已順利外觀紋灘馬克模式顯示 疲勞已經(jīng)開始在一個(gè)點(diǎn)的周 長 ,然后橫跨成長骨折區(qū) . 小面積有粗糙 ,凹凸不平看看那里的最后一部分喉嚨打破了 . 無腐蝕性介質(zhì)上發(fā)現(xiàn)斷裂面 . 脆性斷裂 ,觀察到了最后階段 ,在裂紋看到的，見圖 7。 金相查看了樣品剪下來的螺紋部分拋光后 ,刻蝕 2%見圖 9。根據(jù)荷載產(chǎn)生駕駛的 SUV 經(jīng)常和坎坷的道路 , 疲勞裂紋已開始在這些應(yīng)力集中點(diǎn) ,即喉嚨 , 導(dǎo)致斷裂的一部 分 ,在瞬間 ,當(dāng)局部應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度。成分和硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。形成了裂紋萌生和擴(kuò)展 ,連同最終破裂的裂隙區(qū)支持這個(gè)假說 ,因此 , 同意索賠的 SUV 汽車司機(jī)說 ,事故發(fā)生是由于機(jī)械不相容性，在這種情況下 ,拉桿末端損壞。對(duì)斷裂表面的螺紋部分的裂紋區(qū)和沙灘痕跡可以清楚地指出 ,疲勞裂紋源于破壞性一帶的咽喉。 3 結(jié)論 本研究進(jìn)行了一個(gè)損壞的拉桿末端研究 S。這是典型的淬硬低碳鋼 . 無異常微觀發(fā)現(xiàn)。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 59 圖 6 鏡顯示出典型的脆性斷裂觀察 ,在最后階段的裂紋擴(kuò)展區(qū) 圖 7 鏡中的最后一部分?jǐn)嗫跊Q裂 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 60 圖 8 密切跟進(jìn)呈現(xiàn)晶和穿晶開裂 圖 9 金相螺紋部分顯示珍 珠巖 (指模矩陣 )和鐵氧體 (樣本蝕刻 2% nital ) 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 61 定量化學(xué)分析方法進(jìn)行的 EDAX 附加鏡斷口核實(shí)存在其他相關(guān)部件。裂縫成因是在邊緣的光滑地區(qū)的螺紋部分喉嚨 , 暗示最高在這一地區(qū)，見圖 5。這表明拉桿末端花了一些時(shí)間才擺脫瞬間裂紋直至完成斷裂 。 表 1 化學(xué)成分不合格螺紋部分拉桿末端和 8620 艾西鋼 顯然從圖 . 4 可知，存在兩種截然不同的領(lǐng)域的斷裂面 。低比例的錳和鉻的樣品測試表明 ,最終硬度的一部分將大大減少。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 56 圖 4 螺紋部分?jǐn)嗝婧洼嗇y疤痕概括性的一部分 . 2 實(shí)驗(yàn)程序 損 壞的螺紋部分的拉桿端肉眼檢查和宏觀照顧 ,以避免損傷斷裂面。當(dāng)兩個(gè)零散的螺紋部分合在一起 ,說明拉桿末端出現(xiàn)彎曲之前損壞，見圖 3b。為解決爭端 , 因此決定進(jìn)行一次徹底的失效分析 ,調(diào)查所有部件來確定實(shí)際損壞。汽車被焚毀 ,司機(jī)仍然清醒 ,只是受到了輕傷。有人帶了分析 ,由調(diào)查局 ,內(nèi)政部在一項(xiàng)法律糾紛。這些措施包括設(shè)計(jì)欠佳 ,超重 ,不慎應(yīng)力或表面缺陷 ,在關(guān)鍵領(lǐng)域中 , 使用正確的材料和制造工藝 ,熱處理不當(dāng)。隨著一個(gè)完整的車輪定位 . 整個(gè)拉桿由于摩擦和磨損 ,可造成不穩(wěn)定轉(zhuǎn)向和輪胎過度磨損。 圖 1 常規(guī)懸架 圖 2 麥弗遜懸架 拉桿通過轉(zhuǎn)向中心或齒輪齒條式轉(zhuǎn)向節(jié)傳力 ,使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)果表明，拉桿在喉嚨 (最小 )面積的螺紋部分的疲勞裂紋是由于材料缺陷及熱處理不當(dāng)造成的。汽車已使用了大約兩年 ,行使公里不到三萬。加載裝置與轉(zhuǎn)向盤之間采用柔性連接，減少由于安裝誤差帶來的測量誤差。簡潔的設(shè)計(jì)方案，合理的結(jié)構(gòu)布置，精確的測量方法，繪制的函數(shù)圖象有效反映出了轉(zhuǎn)向柱的彈性，滿足設(shè)計(jì)要求，這些特點(diǎn)具體表現(xiàn)為： 1．臺(tái)架選用工程材料熱扎不等邊角鋼，取材容易，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，明顯降低成本，具有足夠的剛度和強(qiáng)度。 臺(tái)架選用的是 GB9788－ 88（ 8/5）號(hào)角鋼，材料為 Q235。 F SM(a)(b)ll 圖 剪力與彎矩圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 45 剛度校核 1． 建立撓曲軸近似微分方程并積分 支架的彎矩方程為 ( ) ( )M x M l x?? 2． 建立撓度方程并求最大撓度 建立轉(zhuǎn)角 ? 與撓度 ?的方程 21()2M lx xEI? ?? 2311()26M lx xEI? ?? 3． 計(jì)算最大轉(zhuǎn)角 ? 與撓度 ? 9 10? ???， 10? ??? 臺(tái)架平面支架校核 臺(tái)架平面支架 CB 的受力情況 ,見圖 。中性軸上下二側(cè)的部分截面對(duì)中性軸的靜矩為 11( ) ( ) ( )22ZS d y d h y b d h d? ? ? ? ? ? ? ?上 ＝ ?????????? () 1() 2ZS b h y y? ? ? ?下 ?????????? ??????????? () 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 39 將已知數(shù)值、式 ，得 ? ?上 31 .4 3 1 0 M Pa? ???下 得 m a x 0 .0 3 2 M P a????上 4． 腹板、翼緣交接處的強(qiáng)度校核 根據(jù)前面計(jì)算 MPa? ? 根據(jù)式 ，得腹板、翼緣交接處的彎曲正應(yīng)力為 1 .3 5M M MPaIyd? ??? 將上述結(jié)果代入式 ，得 ? ? ???????????????????????? () 腹板、翼緣交接處對(duì)中性軸的靜矩為 1( ) ( )2zS b d h d? ? ? ? ? ???????????????????? () 將已知數(shù)值和式 、翼緣交接處的彎曲切應(yīng)力為 ? ? ???????????????????????? () 第三強(qiáng)度理論公式 223 4r? ? ??? ?????????????????????? () 將式 ，得 3 MPa? ? 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向彈性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 40 臺(tái)架平面支架校核 臺(tái)架平面支架 CB受力情況，見圖 。 F NF SM(a)(b)(c) 圖 軸力、剪力與彎矩圖 剛度校核 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 乘用車轉(zhuǎn)向柱徑向