自卸車推力桿的失效改進(jìn)

翁明武，劉飛，李楊歡，黃鵬飛

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自卸車推力桿的失效改進(jìn)

翁明武，劉飛，李楊歡，黃鵬飛

（陜西徳仕汽車部件（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

在自卸車上推力桿因路況差、載重大等惡劣工況，導(dǎo)致推力桿的失效率居高不下。通過對大量售后舊件失效模式分析，從橡膠撕裂，卡簧飛出，端蓋開裂三種失效形式對推力桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，證明其疲勞壽命大幅提高。

自卸車；推力桿

前言

鋼板彈簧懸架以其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)中國的主流市場，推力桿作為鋼板彈簧懸架的重要構(gòu)成部件，主要應(yīng)用在載重汽車或客車的獨(dú)立懸架的單軸或雙后橋重型汽車上，連接著車架與車橋，其目的主要是為了克服鋼板彈簧只能傳遞垂直力和側(cè)向力而不能傳遞牽引力、制動力，轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力。推力桿的失效對行車安全有重大影響，針對某主機(jī)廠自卸車上推力桿的失效模式數(shù)據(jù)分析，對推力桿進(jìn)行優(yōu)化并驗(yàn)證。

1 推力桿構(gòu)成及失效模式

1.1 推力桿的構(gòu)成

推力桿總成主要由端頭、管體、卡簧、球銷組成，其中球銷由球芯、端蓋、橡膠組成。I型推力桿兩端各有一個(gè)球銷，球銷的球芯有安裝孔，連接車架或車橋，車輛運(yùn)動時(shí)，推力桿依靠球芯與端頭之間的橡膠來使推力桿具有緩沖作用。管體與端頭直接通過熱鉚壓緊密配合連接在一起。

圖1 推力桿結(jié)構(gòu)

1.2 失效模式

根據(jù)某主機(jī)廠自卸車最近一整年的售后失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，推力桿的主要失效模式數(shù)據(jù)如下表所示：

表1 失效數(shù)據(jù)

根據(jù)上表看出，主要失效模式集中在橡膠開裂及卡簧飛出，其余失效模式占比較小。其中管體彎曲/斷裂經(jīng)市場走訪及維修人員描述，主要是由于連接推力桿與車橋或車架的螺栓斷裂、脫落引起橋的移動，進(jìn)而導(dǎo)致管體彎曲、斷裂，在此不做重點(diǎn)分析。另外球芯斷裂因其數(shù)量較少，亦不做重點(diǎn)分析。

圖2 卡簧飛出

圖3 端蓋開裂

圖4 管體彎曲

圖5 端頭斷裂

圖6 球芯斷裂

2 失效分析

2.1 橡膠撕裂

橡膠撕裂是占比最大的失效模式，從售后舊件返回的失效件可以看出，橡膠撕裂過程是：出現(xiàn)裂紋源-裂紋逐步擴(kuò)大-剛度下降導(dǎo)致橡膠變形嚴(yán)重-推力桿失效。橡膠撕裂會導(dǎo)致球芯松曠，推力桿的緩沖吸震能力下降，進(jìn)而造成車輛的異響。推力桿要求有一定的各向剛度，加載同等載荷，剛度過小，則橡膠的變形大，橡膠易撕裂失效；剛度過大，則橡膠變形小，推力桿所起的緩沖減震作用變?nèi)酰囕v的舒適性下降，且剛性過大易導(dǎo)致相連接零件的斷裂失效。故推力桿合理的剛度范圍十分重要。

2.2 卡簧飛出

卡簧又稱擋圈，在推力桿中作為孔用擋圈使用，防止球銷從桿頭中脫出。卡簧飛出占失效總數(shù)的34.67%，位居第二。球銷在端頭內(nèi)壓縮后，卡簧受到軸向力，車輛行駛中，推力桿收到徑向、軸向、偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的載荷時(shí)，卡簧同樣承受一部分載荷。卡簧槽的尺寸及卡簧的尺寸對卡簧飛出的失效影響較大。現(xiàn)有卡簧生產(chǎn)工藝為板材沖裁，沖裁后平面度差，側(cè)面帶有一定傾斜角度，導(dǎo)致上下面寬度不一致，裝配時(shí)若窄面向上，則卡簧接觸面減少，卡簧易飛出。端頭卡簧槽寬度為4.3mm，卡簧厚度為4mm，間隙為0.3mm，間隙過大也是導(dǎo)致卡簧易飛出的原因之一。

2.3 端蓋開裂

端蓋的材質(zhì)一般為Q345，在球銷兩端，與橡膠粘結(jié)。車輛在轉(zhuǎn)彎過程中，球芯產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)端蓋收到?jīng)_擊，若偏轉(zhuǎn)角足夠大，使得球芯直接撞擊到端蓋，則端蓋會產(chǎn)生變形及開裂。所以設(shè)計(jì)合理的偏轉(zhuǎn)角能有效防止端蓋開裂。

3 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 剛度提升

影響剛度的主要因素有：橡膠、球芯形狀。通過對現(xiàn)有橡膠的測試，其粘結(jié)強(qiáng)度、拉強(qiáng)度、扯斷伸長率、壓縮永久變形、熱老化等各項(xiàng)性能均滿足要求，故可在球芯形狀上進(jìn)行改進(jìn)；但在橡膠及球銷外徑不變的情況下，球芯越大，則橡膠越少，剛度越大，但橡膠亦不能太少，否則緩沖作用會減弱，車輛噪音增大。

靜剛度的計(jì)算公式：

K=(P2-P1)/(S2-S1) （1）

式中P1---計(jì)算負(fù)荷下限：P1=30%×P2

P1---計(jì)算負(fù)荷上限：P1=30%×Pmax

Pmax---試驗(yàn)負(fù)荷上限，一般選取許用承載載荷

S1---計(jì)算變形下限：P1負(fù)荷下的位移

S2---計(jì)算變形下限：P2負(fù)荷下的位移

通過制作不同尺寸的球芯，對推力桿進(jìn)行剛度測試，其結(jié)果如下：

表2 剛度測試

通過以上測試，證明球芯越大，則推力桿的徑向剛度越大，但臺架試驗(yàn)中噪音明顯變大，且球芯尺寸為82時(shí)，使用油壓機(jī)壓裝球銷十分困難，端蓋出現(xiàn)變形。綜合對比分析，采用方案2，剛度比現(xiàn)有提高53%，且不影響裝配。

3.2 卡簧改進(jìn)

與卡簧配合的有端頭的卡簧槽及球銷的端蓋，可從卡簧、卡簧槽、端蓋三方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 卡簧生產(chǎn)工藝改進(jìn)

現(xiàn)有卡簧生產(chǎn)工藝為：備料-沖裁-熱處理-打孔-包裝入庫，采用板材沖裁，一次成型，但平面度差，材料利用率低；可改進(jìn)為：備料-切片-熱處理-打孔-開口-包裝入庫，采用管材鋸片，材料利用率大幅提高，同時(shí)平面度在0.2內(nèi)，上下面寬度一致。

表3 卡簧生產(chǎn)工藝對比

3.2.2 卡簧槽改進(jìn)

為便于裝配，卡簧槽寬度現(xiàn)有為4.3mm，卡簧為4mm，裝配后間隙為0.3mm。將卡簧槽寬度改為4.1mm，則卡簧裝配后軸向間隙為0.1mm，配合更加緊密，能有效防止軸向間隙過大引起的卡簧脫落。

3.2.3 端蓋增加階梯結(jié)構(gòu)

在端蓋上增加階梯結(jié)構(gòu)，阻止卡簧的徑向竄動。同時(shí)增加階梯結(jié)構(gòu)后，端蓋厚度增加，使端蓋強(qiáng)度得到提升。

圖8 端蓋改進(jìn)前圖

圖9 端蓋改進(jìn)后

3.3 端蓋改進(jìn)

端蓋開裂主要是由于球銷偏轉(zhuǎn)角小，球芯偏轉(zhuǎn)是與端蓋發(fā)生干涉，端蓋與球芯的尺寸直接影響偏轉(zhuǎn)角，通過合理的尺寸設(shè)計(jì)提高球銷偏轉(zhuǎn)角。

圖10 球芯偏擺示意

根據(jù)上圖可得如下公式：

由以上四個(gè)公式可得偏轉(zhuǎn)角：

式中 a---球芯根部直徑

b---端蓋高度

c--- 端蓋距球銷中心距離

d---端蓋內(nèi)徑

可知：d增大，偏轉(zhuǎn)角增大；a、b、c減小，偏轉(zhuǎn)角增大。

a（球芯直徑）影響球芯強(qiáng)度，不能減小；c影響裝配，不能改動；d影響端蓋厚度，若d增大，端蓋厚度減小，強(qiáng)度下降，故d不能增大。只能減小b的尺寸，以此增加偏轉(zhuǎn)角，且端蓋高度b減小后，間接增加了強(qiáng)度。

表4 端蓋高度與偏轉(zhuǎn)角

通過端蓋高度降低2.5mm，使得偏轉(zhuǎn)角提高0.9°。

4 結(jié)論

對改進(jìn)前后的兩種狀態(tài)推力桿總成進(jìn)行臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證其疲勞壽命，加載同等載荷的試驗(yàn)條件下，疲勞壽命由改進(jìn)前的14.61萬次提高至27.82萬次。對后續(xù)推力桿的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面：

1）根據(jù)車型及載荷，確定推力桿合理的剛度值，保證車輛運(yùn)行過程中推力桿橡膠的變形在一定范圍內(nèi)，既可降低失效率，又能控制噪音。

2）卡簧槽裝配后得軸向間隙不易過大，且需保證卡簧有較好平面度，并防止卡簧徑向竄動，能有效降低卡簧飛出的故障。

3）根據(jù)偏轉(zhuǎn)剛度及車輛行駛過程中球銷的偏轉(zhuǎn)角度，來確定端蓋的尺寸。

[1] 陳耀明.汽車懸架論文集[M].蘇州大學(xué)出版社.2012.

[2] 張俊榮,李建林,鄧勇等.40t重型汽車平衡懸架用推力桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)[J].汽車設(shè)計(jì).2008（3）:19-21.

Dump truck thrust bar failure improvement

Weng Mingwu, Liu Fei, Li Yanghuan, Huang Pengfei

（Shaanxi Deshi Vehicle Components(Group)Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Dump truck thrust bar because of poor road conditions and load big, bad working conditions, such cause thrust bar failure rate high. By a large number of after-sales old pieces of failure mode analysis, torn from rubber, spring, three failure modes of thrust bar end cover cracking optimization design, and test verification, to prove its fatigue life is greatly increased.

Dump Truck;Thrust bar

B

1671-7988(2018)18-79-03

U463.33

B

1671-7988(2018)18-79-03

CLC NO.: U463.33

翁明武，助理工程師，就職于陜西徳仕汽車部件（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心產(chǎn)品研發(fā)部，主要從事懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.028