轉向橫拉桿故障分析及結構改進

楊貝貝

(安聯(鄭州)工程機械有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

目前，國內外掛車用轉向橋轉向橫拉桿兩端大多采用緩沖襯套和U形連接叉的方式連接。使用時，在轉向節上焊接襯套支座，再將緩沖襯套裝入支座內，并用夾緊螺栓固定襯套，這樣襯套中間的內孔可穿入螺栓與橫拉桿兩端的U形連接叉連接形成鉸鏈。在實際使用過程中，發現夾緊螺栓如果型號偏小或者強度等級偏低時則容易斷裂。另外螺栓預緊力過大也會造成襯套外圈變形嚴重，從而無法調整前束。本文作者針對上述問題的原因進行了充分分析，并通過試驗選出合適的螺栓型號和預緊力，優化了襯套座結構尺寸，最終解決了上述問題。

1 故障及原因分析

1.1 故障描述

公司開發的掛車轉向橋在使用過程中出現了兩種故障現象：(1)轉向橋在使用不到兩個月后出現夾緊螺栓斷裂、襯套支座斷裂現象，如圖1所示；(2)客戶調整前束時發現襯套變形嚴重，松掉夾緊螺栓后襯套無法轉動，進而無法調整前束(未保留故障照片)。

圖1 故障1照片

1.2 故障原因分析

1.2.1 原有轉向橋橫拉桿結構及技術要求

掛車用轉向橋橫拉桿包括：襯套支座、緩沖襯套、固定螺栓及螺母、夾緊螺栓及彈墊、橫拉桿(兩端為U形結構)。各零件裝配關系如下：襯套支座焊接在轉向節上，襯套裝在支座孔內并用夾緊螺栓夾緊，襯套通過固定螺栓和螺母與U形叉拉桿連接在一起，如圖2所示。襯套設計成偏心結構(圖3)，需要調整前束時可以通過旋轉襯套改變襯套中心相對支座中心的距離，從而改變前束值。襯套支座上有一開槽(圖4)，使得支座可以有較大的彈性變形，當前束調整好后將加緊螺栓打緊，此時襯套支座上的開槽被壓縮，支座孔發生變形，從而夾緊襯套。

圖2 轉向橫拉桿及固定結構

圖3 襯套(偏心結構)

圖4 襯套支座(帶開槽)

其中，襯套支座開槽尺寸原先是4 mm，夾緊螺栓為GB/T 5783 M14×60，要求預緊力(200±20)N·m。裝配工藝要求為：將螺栓打緊，彈墊壓平，螺栓預緊扭力不低于180 N·m，檢測工具為帶響聲預置式扭力扳手。

1.2.2 螺栓斷裂和襯套支座斷裂原因分析

由于客戶已自行更換了螺栓并繼續使用，所以無法對故障件進行有效分析，僅能從照片推斷出襯套支座斷裂是因為夾緊螺栓斷裂后支座在橫拉桿拉動下產生大的變形后發生斷裂。但可以先對原先的工藝要求進行驗證，確認是否存在問題。

按照原先的工藝要求進行裝配，當扭力達到200 N·m時，彈墊已被壓平，襯套目視有輕微變形，如果繼續擰緊螺栓，發現襯套會發生明顯的變形，支座的開槽寬度明顯減小；當扭力超過300 N·m后，開槽寬度迅速減小直至為0，此時槽口完全閉合，襯套外層鐵圈變形嚴重，已無法再使用。如圖5所示。

圖5 槽口閉合后的支座和襯套

可以看出，發生上述情況的原因是支座開槽后結構剛度和強度降低，無法承受較大的預緊力，產生了大的變形。可以想象到，實際裝配時開槽尺寸是不受控制的，有些可能很大，有些可能很小。如果開槽尺寸過小，則襯套會發生大的變形，且這種變形無法恢復，在使用過程中，轉向橋會承受各種震動，從而會使襯套和支座之間產生間隙，襯套無法提供有效的減震和支撐作用，造成螺栓松動并斷裂，螺栓斷裂后，支座受到較大拉力時也會跟著發生斷裂。當然，不能排除斷裂的螺栓存在質量問題，因無法得到故障件，文中分析暫不考慮。

1.2.3 襯套變形原因分析

根據第1.2.2節所述，可能會認為襯套變形的原因是螺栓擰緊力矩過大。但是這不是真正的原因，真正的原因是支座變形后的開槽尺寸沒有得到控制，開槽尺寸過小導致襯套發生永久性變形。

2 螺栓扭力及襯套變形問題的深入研究

為了較好地解決上述故障問題，需要知道：(1)夾緊螺栓選用什么型號，需要多大的預緊力矩合適；(2)襯套最大允許變形量是多少；(3)支座變形后開槽尺寸控制在多少合適。

對于第(1)個問題，可參考國外STEFFEN公司的轉向橋將螺栓改為GB/T 5873 M18×70 8.8級，這樣的話夾緊螺栓可以承受更大的力，使用起來更加安全。M18×70螺栓預緊力通過查標準QC/T 518—2013《汽車用螺紋緊固件緊固扭矩》[1]后設定為(350±20)N·m。對于第(2)、第(3)條問題，需要設計試驗來得到數據。

2.1 試驗方法

為了得到夾緊螺栓預緊力和襯套變形的準確數據，使用真實產品零件做試驗，具體試驗方法如下：首先，將支座焊接在一個靜止的架子上；然后裝入偏心襯套和夾緊螺栓，偏心襯套此時夾緊螺栓先不打緊；之后，用扭力扳手分別按100、150、200、250、300 N·m的順序緩慢施力，每次施力到相應扭力后停止施力，測量開槽尺寸，并拆掉襯套測量徑向變形量(最大直徑和最小直徑之差)，測量完畢后按原先的裝配位置重新裝入襯套，繼續擰緊螺栓到下一個扭力值，重復上述步驟。

2.2 試驗數據

按照第2.1節中的試驗方法可得到試驗數據(表1)。

表1 試驗數據

通過表1可以看出當開槽尺寸為3.5 mm時，襯套變形量為0.1 mm，變形不明顯，較合適。

2.3 橫拉桿結構改進方案

綜上，可以制定如下的改進方案：(1)夾緊螺栓改用GB/T5873 M18×70 8.8級，預緊扭力(350±20)N·m；(2)增加墊圈厚度3.5 mm，裝在開槽處，用于限制開槽尺寸。改進后的襯套支座結構如圖6所示。

圖6 改進后的襯套支座結構

2.4 方案驗證

雖然設計出了改進方案，但是此方案是否正確還需要進一步驗證。需要驗證以下問題：(1)夾緊螺栓打緊后襯套變形是否和前面的試驗一致(約0.1 mm)；(2)夾緊后襯套不能轉動；(3)松開夾緊螺栓后襯套需能轉動(調節前束)。

為了驗證上述問題，按照改進后的方案支座樣件進行試裝，試裝結果如圖7所示：(1)襯套變形量為0.12 mm；(2)夾緊后用扭力扳手對襯套施加扭力，扭力150 Nm時襯套外圈依舊不動，符合要求；(3)松開夾緊螺栓后襯套可輕松轉動。

圖7 改進后的襯套支座實物照片

根據試裝驗證結果說明改進方案可行，能夠滿足實際需要。

3 結束語

通過分析和驗證，不僅得到了夾緊扭力與襯套變形量以及開槽尺寸的具體數據，還對橫拉桿結構進行了改進，解決了故障問題。這說明正確的分析與試驗是解決問題的有效方法，同時也能為今后的產品設計積累寶貴經驗。