轉向中間軸熱害性能優化分析

周雪巍，王麗永，郭 俊，王月玲，劉陽峰 Zhou Xuewei，Wang Liyong，Guo Jun，Wang Yueling，Liu Yangfeng

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轉向中間軸熱害性能優化分析

周雪巍，王麗永，郭 俊，王月玲，劉陽峰 Zhou Xuewei，Wang Liyong，Guo Jun，Wang Yueling，Liu Yangfeng

（北京汽車工程研究總院，北京 101300）

針對汽車轉向中間軸熱害過程中出現的失效不足現象，通過分析，優化排氣歧管隔熱罩，提升隔熱效果，減小對轉向中間軸的熱輻射效應，并對優化后的性能進行CAE仿真和實車驗證。

轉向中間軸；熱害；熱輻射效應

0 引 言

轉向中間軸作為傳遞駕駛員轉向意圖到車輪的部件，不僅具有減小路面傳遞給駕駛員噪聲和振動的功能，還具有一定的扭轉剛度及耐高低溫性能。轉向中間軸轉向管柱及轉向器布置在發動機機艙里，通風散熱條件比較差，某些發動機排氣歧管與中間軸布置在同一側，距離較近，排氣歧管產生的熱量會輻射到轉向中間軸上，通常轉向中間軸耐溫性能為-40～120 ℃，熱害試驗時會對轉向中間軸造成破壞性影響，威脅行車安全。通過對一款轉向中間軸布置優化，以及對發動機排氣歧管隔熱罩進行優化，解決了熱害試驗出現的問題。

1 問題描述

某車型在進行環境倉熱害試驗時，轉向中間軸受熱溫度過高，在進行40 km/h，12%坡度工況試驗時，上部溫度達到137 ℃，花鍵部位出現尼龍及隔振套橡膠融化。環境倉熱害試驗標準參照GB/T 12542，具體試驗條件、試驗結果見表1、表2，轉向中間軸布點如圖1所示。

表1 環境倉熱害試驗條件

序號環境溫度/℃車速/（km/h）坡度擋位空調 13814002HON（內循環） 2907.2%2HON（內循環） 3507.2%2HON（內循環） 4（怠速）0NAON（內循環） 5334012%4HON（內循環） 66010%4HON（內循環） 7最大扭矩4HON（外循環） 8額定功率4HON（外循環） 其他條件：濕度40%；光照1 000 W/m2；空調吹面模式，風量最大。 工況完成情況5個熱平衡試驗工況，正常完成。

注：2H為兩驅高擋位；4H為四驅高擋位。

圖1 轉向中間軸布點

表2 環境倉熱害試驗結果

車速/（km/h）坡度/%擋位溫度/℃ 140 02H 94.9 90 7.22H119.9 50 7.22H127.2 40124H137 60104H128.5

2 原因分析

該車轉向中間軸失效的主要原因是由于轉向中間軸距離排氣歧管及三元催化器較近（25 mm），排氣歧管表面溫度較高，輻射到轉向中間軸的溫度較高，見表2（最高137 ℃），超過了最高耐熱能力。

目前轉向中間軸耐溫性能為-40～120 ℃，中間軸滑動部位采用的是PA66尼龍涂層，橡膠減振套采用的是丁腈橡膠，最高耐溫為120 ℃；排氣歧管隔熱罩結構設計不合理，如圖2所示。

3 性能優化分析

針對問題，對排氣歧管隔熱罩優化，并調整轉向中間軸走向，加大中間軸與三元催化器的間隙到40 mm左右，如圖3、圖4所示。

針對優化模型進行熱害仿真分析以及力矩波動分析。

1）建立仿真模型進行CAE分析，如圖5所示，仿真試驗中轉向中間軸最高溫度由142 ℃降至110℃。

2）優化中間軸力矩波動校核，如圖6所示。

如圖7所示，管柱軸線（直線AB）與中間軸軸線（直線BC）夾角1為23°。

中間軸軸線（直線BC）與轉向機輸入軸軸線（直線CD）夾角2為17°。

則等效夾角為

因此整個管柱的力矩波動范圍為cos～1/cos，因為為15.4°，所以輸出力矩波動范圍為0.96～1.04，如圖6所示，力矩波動在4%以內，技術要求在5%以內，滿足要求。

3）優化后熱害試驗結果見表3。轉向中間軸在40 km/h，12 %坡度工況試驗時，中間軸上部高溫度點消失，最高溫度點為107 ℃。

表3 環境倉熱害試驗結果

車速/（km/h）坡度/%擋位溫度/℃ 140 02H 73.9 90 7.22H 89.9 50 7.22H 97.2 40124H107 60104H 98.5

4 結 論

1）轉向中間軸一般布置在前機艙，如果離發動機排氣歧管及三元催化器較近，需要考慮熱害試驗影響。

2）轉向中間軸力矩波動主要影響操縱穩定性，所以轉向中間軸的布置需要考慮減小力矩波動。

3）排氣歧管隔熱罩的密封性盡量要好，如果成本允許，建議采用3層隔熱材料，提高熱反射率。

[1]王霄峰. 汽車底盤設計[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[2]劉維信. 汽車設計[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

2017-03-28

1002-4581（2017）04-0019-03

U463.43

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.006