淺談某越野車轉(zhuǎn)向擺臂軸總成可靠性設計

沈阿榮，劉偉建，劉常青

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淺談某越野車轉(zhuǎn)向擺臂軸總成可靠性設計

沈阿榮，劉偉建，劉常青

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院軍品研究所，陜西 西安 710200）

文章通過對某越野車型轉(zhuǎn)向擺臂軸總成的改進設計，既要保證轉(zhuǎn)動靈活輕便，又要保證防松可靠。改進后的設計方案提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和整車的可靠性。為同類車型的結(jié)構(gòu)設計提供參考。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；擺臂軸總成；防松

前言

轉(zhuǎn)向擺臂軸總成是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中保證車輛轉(zhuǎn)角達到設計值的重要總成，包括轉(zhuǎn)向擺臂軸殼體，轉(zhuǎn)向擺臂軸，軸承，軸承間隙調(diào)整裝置，潤滑裝置及上下封蓋等。轉(zhuǎn)向擺臂軸總成在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中具有傳遞力矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向擺臂的回轉(zhuǎn)運動等功能，并通過螺栓與車架相連。

轉(zhuǎn)向擺臂軸總成應達到以下要求：

（1）轉(zhuǎn)向擺臂軸轉(zhuǎn)動靈活，無卡滯；

（2）轉(zhuǎn)向擺臂軸定位可靠，無軸向竄動；

（3）轉(zhuǎn)向擺臂軸與擺臂連接可靠，無相對運動；避免磨損。

1 改進前的擺臂軸總成

1.1 改進前的擺臂軸總成結(jié)構(gòu)

擺臂軸殼體采用鑄造的生產(chǎn)方式，改進前的擺臂軸總成殼體內(nèi)裝配有角接觸關(guān)節(jié)軸承GAC035S和GAC050S各一個，兩個軸承采用“背靠背”的布置方式，并通過1型非金屬嵌件六角鎖緊螺母進行防松鎖緊，上下封蓋通過氈墊進行密封。

1 擺臂軸殼體 2氈墊 3端蓋 4 10六角頭螺栓 5彈簧墊圈 6擺臂軸 7唇密封 8角接觸關(guān)節(jié)軸承（GAC050S） 9 滑脂嘴 11封蓋 12 墊板 13 1型非金屬嵌件六角鎖緊螺母 14角接觸關(guān)節(jié)軸承（GAC035S）

改進前的擺臂軸總成內(nèi)部剖視結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，擺臂軸應力和變形情況如圖2所示。

圖2中，除尖銳點外，擺臂軸的最大應力值max=239.31，擺臂軸采用42CrMo材料，該材料的屈服極限s=820；安全系數(shù)=s/max=3.43。

圖2 改進前轉(zhuǎn)向擺臂軸應力和變形情況

1.2 失效模式

裝配有該擺臂軸總成的車輛在進行越野路（試驗里程大約1500km）測試時，發(fā)生擺臂軸斷裂故障，如圖3所示。

圖3 試驗中擺臂軸發(fā)生斷裂

1.3 失效原因

通過觀察斷口，可以看到該軸受交變載荷作用，斷口可見明顯的貝紋線，斷面區(qū)域平整，較新鮮，屬于疲勞斷裂，疲勞擴展區(qū)面積較小，最后瞬斷區(qū)面積較大，表明斷裂瞬間所受應力較大。理化結(jié)果顯示故障件的材料和熱處理均符合設計要求。檢查擺臂軸上端的嵌件螺母，發(fā)現(xiàn)螺母已經(jīng)松退，根據(jù)試驗情況和斷口分析，可以判斷是因為擺臂軸受到軸向沖擊時，1型非金屬嵌件六角鎖緊螺母防松失效。由于裝配角接觸關(guān)節(jié)軸承間隙調(diào)整較困難，間隙過小，擺臂軸轉(zhuǎn)動力矩大，轉(zhuǎn)動不靈活；間隙過大，軸承內(nèi)圈相對外圈有軸向和徑向兩個方向的自由度，導致擺臂軸受到彎矩作用，服役期間此處萌生裂紋，引發(fā)疲勞斷裂失效。需要對該擺臂軸總成進行設計改進。

2 改進后的擺臂軸總成

2.1 改進措施

通過對失效模式進行分析，首先需要解決擺臂軸的防松問題。將原來的1型非金屬嵌件六角鎖緊螺母改為左、右旋螺母配對使用。由于右旋螺母的松退方向是左旋螺母的擰緊方向，而左旋螺母的擰緊又阻止了右旋螺母的松退，所以左、右旋螺母配對使用可以有效的防止擺臂軸在沖擊和振動作用下發(fā)生松退。其次需要解決軸承間隙調(diào)節(jié)困難的問題。原結(jié)構(gòu)在防松和轉(zhuǎn)動靈活方面很難二者兼顧，裝配中，為保證轉(zhuǎn)動靈活又要防止防松措施失效，要求裝配中檢測每個擺臂軸的轉(zhuǎn)動力矩，需要反復調(diào)整螺母的擰緊力矩，不僅需要很多時間，也很難達到設計效果。如果能夠保證兩個軸承內(nèi)圈的間隙在一定范圍內(nèi)，就可以不需要測量擺臂軸的轉(zhuǎn)動力矩，直接控制防松螺母的擰緊力矩來兼顧轉(zhuǎn)動靈活和防松兩個要求。因此重點控制殼體上的兩個軸承外圈安裝凸臺的尺寸公差，并通過計算內(nèi)圈之間的距離，控制中隔圈的高度，將軸承內(nèi)圈的間隙固化在合理的范圍內(nèi)。通過臺架試驗測試，只需將軸承上端的右旋螺母的擰緊力矩控制在150 N.m±20N.m之間，就可將轉(zhuǎn)向擺臂軸的轉(zhuǎn)動力矩控制在5N.m±3N.m，使擺臂軸轉(zhuǎn)動靈活平穩(wěn)。同時將原角接觸關(guān)節(jié)軸承改為同樣可以承受徑向和軸向聯(lián)合載荷的單列圓錐滾子軸承，并將兩個軸承的規(guī)格統(tǒng)一，既可減少軸肩處的應力集中，也可減少零件規(guī)格，從而提高擺臂軸的壽命。改進后的方案，簡化了裝配反復調(diào)整過程，提高了裝配效率和裝配質(zhì)量。

改進后的擺臂軸總成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1唇密封 2下端蓋 3擺臂軸殼體 4擺臂軸 5上端蓋 6六角頭螺栓 7左旋螺母 8右旋螺母 9單列圓錐滾子軸承軸承（33010）10中隔圈

圖5 一橋轉(zhuǎn)向擺臂軸應力和變形情況

改進后的擺臂軸如圖5所示，忽略尖銳點后，轉(zhuǎn)向擺臂軸的應力最大值max=110.19，最大變形量約為0.21mm，安全系數(shù)=s/max=7.4。

通過有限元分析，改進后的擺臂軸安全系數(shù)較改進前提高了約116%，大大改善了該擺臂軸的強度和剛度要求。

3 驗證效果

改進后的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過裝車驗證，順利通過3萬公里可靠性試驗，未再出現(xiàn)擺臂軸斷裂或松脫等故障，達到了設計要求，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和整車的可靠性。

4 結(jié)束語

通過對擺臂軸總成暴露的問題進行分析整改，有效的解決了該類轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)存在的安全隱患，不僅簡化了裝配時間，也大大提高了該總成的可靠性，為同類車型的設計及變型車的開發(fā)提供了理論依據(jù)和設計參考。

[1] 汽車構(gòu)造.[M]機械工業(yè)出版社.

[2] 機械設計手冊.[M]化學工業(yè)出版社.

The Reliability Design Of The Steering Shaft Systems On The Off-Road Vehicle

Shen Arong, Liu Weijian, Liu Changqing

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd Institute of Automotive Engineering R&D Commercial Vehicle R.& D.Department., Shaanxi Xi'an 710200）

In this thesis, we make the revised design of the steering shaft systems,not only flexible rotation but also locking reliable. The revised design improve the reliable of the steering system and the vehicle.The thesis provides the reference to the similar structure designing.

steering systems; steering shaft systems; lock

A

1671-7988(2018)18-202-02

U462.1

A

1671-7988(2018)18-202-02

CLC NO.: U462.1

沈阿榮，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院軍品研究所。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.067