劉溪清，龍志琴，鄭素云，王孔龍

（北京汽車工程研究院，北京 101300）

汽車轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂的失效分析

劉溪清，龍志琴，鄭素云，王孔龍

（北京汽車工程研究院，北京 101300）

針對汽車轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂在可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的斷裂失效，通過對焊接質(zhì)量、斷口金相及配合尺寸鏈的分析，查明了其失效原因，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，并對優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了安全系數(shù)校核及CAE應(yīng)力云圖分析。

汽車；轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂；安全系數(shù)；CAE應(yīng)力云圖

1　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂簡介

轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂結(jié)構(gòu)以其承載力大、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于安裝循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的車輛上，包括部分越野車、皮卡、客車和小貨車等。常見的轉(zhuǎn)向拉桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器通過錐面花鍵與轉(zhuǎn)向搖臂連接，帶動轉(zhuǎn)向搖臂左右擺動，轉(zhuǎn)向搖臂帶動中橫拉桿運(yùn)動，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂通過中橫拉桿做跟隨運(yùn)動，中橫拉桿兩側(cè)分別與左、右側(cè)拉桿相連，側(cè)拉桿則帶動對應(yīng)側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)連帶車輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖1　轉(zhuǎn)向拉桿及轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)向拉桿作為重要的轉(zhuǎn)向部件，它直接影響車輛操作穩(wěn)定性和運(yùn)行安全性。如圖1所示，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂上的擺臂通過安裝支架固定于車架或前懸架副車架上，在副車架上還有對應(yīng)的限位結(jié)構(gòu)，用以限制轉(zhuǎn)向擺動角度。在轉(zhuǎn)向拉桿運(yùn)動過程中，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂用于保持轉(zhuǎn)向操控的精準(zhǔn)，同時(shí)負(fù)責(zé)承受轉(zhuǎn)向阻力矩，還承受輪胎傳遞的路面沖擊載荷，以減輕路面?zhèn)鬟f到方向盤上的振動和沖擊。因此，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂應(yīng)有足夠的剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命，它不僅影響整車的使用壽命和駕乘人員的生命安全，而且對車輛操作穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大影響，在嚴(yán)苛的路面條件下甚至?xí)l(fā)生斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂通常由軸銷、擺臂、固定支架及上下蓋板和鎖母等構(gòu)成，軸銷焊接在安裝支架上，同時(shí)還焊接有上蓋板，擺臂與軸銷之間實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，在固定支架及上下蓋板之間涂抹有足夠的潤滑脂并用鎖母固定，防止擺臂與軸銷出現(xiàn)相對竄動。該文通過對轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂一例斷裂失效現(xiàn)象的分析，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。

2　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷斷裂現(xiàn)象

某車型轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂在道路試驗(yàn)過程中出現(xiàn)松曠、軸銷斷裂失效現(xiàn)象，斷裂面如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷斷口

軸銷在斷裂失效之前先是出現(xiàn)松曠滲油，隨后發(fā)生斷裂失效。斷口處于上蓋板下方、擺臂上方（如圖3所示）。這種斷裂失效不僅會導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)向性能喪失，同時(shí)會對駕駛員生命構(gòu)成威脅。

3　問題分析

轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷材料一般采用40Cr鋼（執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3077），進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，其硬度為HRC26-32，材料屈服強(qiáng)度為785MPa。下面對該隨動臂結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算和焊接質(zhì)量分析。3.1 安全系數(shù)校核

圖3　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂銷軸斷裂位置示意圖

根據(jù)轉(zhuǎn)向梯形特點(diǎn)，不考慮外界沖擊載荷和焊接影響，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂所受最大載荷工況為：轉(zhuǎn)向極限下，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂與車架上限位結(jié)構(gòu)接觸，且轉(zhuǎn)向器輸出扭矩達(dá)到最大。此時(shí)轉(zhuǎn)向梯形夾角α= 30°，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂相關(guān)尺寸l1=126.3mm、l2= 18.7mm、l3=81.25mm。該車型轉(zhuǎn)向器最大輸出力矩為1053N·m。轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示，其中A-A為斷裂危險(xiǎn)截面。

圖4　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

圖5為轉(zhuǎn)向梯形運(yùn)動力學(xué)分析示意圖，由圖5得轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂的受力分解圖（如圖6所示）。

由圖5、圖6可得：

圖5　轉(zhuǎn)向梯形運(yùn)動力學(xué)分析示意圖

圖6　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂受力分解圖

F1=F2+F5；F2l2=F5l1；F3=F4

其中：F1=8335N，F(xiàn)2=7260N，F(xiàn)3=4192 N，F(xiàn)4=4192N，F(xiàn)5=1075N，得：

F1、F2對危險(xiǎn)截面A-A產(chǎn)生扭矩T1、T2，危險(xiǎn)截面A-A的直徑為21.3mm，F(xiàn)合對危險(xiǎn)截面A-A產(chǎn)生扭矩M合。

斷裂危險(xiǎn)截面A-A的安全系數(shù)為：

綜上所述，在不考慮外部沖擊的工況下，轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂的安全系數(shù)為1.9。相較于底盤零件2.5以上的安全冗余來說，其設(shè)計(jì)安全系數(shù)偏低。

通過CAE對軸銷進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖7所示。從中可見，其最大應(yīng)力也集中在斷裂危險(xiǎn)截面位置，為477.4MPa。

3.2焊接質(zhì)量因素分析

轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷與安裝支架采用電弧焊焊接在一起，出于密封性考慮，將上蓋板也焊接在軸銷上。為保證焊接質(zhì)量，要求先焊接軸銷與安裝支架，再焊接上蓋板，并要求連續(xù)焊接以消除焊接過程的熱變形和熱裂紋影響。焊接位置如圖8所示。

從實(shí)際焊接效果來看，雖然圖8中橢圓區(qū)域所示的軸銷部位也有焊接，用于保證后續(xù)焊接工序的

圖7　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖8　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷焊縫位置示意圖

可靠性，但焊縫無法保持連續(xù)，在焊接完上蓋板后，軸銷的表面硬度明顯降低，已不能達(dá)到HRC26-32的硬度要求。說明這樣的焊接工藝設(shè)計(jì)不夠合理，實(shí)際操作困難。

4　轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂優(yōu)化方案

為從設(shè)計(jì)上改善焊接后的表面硬度缺陷，提高轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，將軸銷從目前的直桿式結(jié)構(gòu)改為球頭銷與軸套配合結(jié)構(gòu)，安裝支架與軸套焊接，球頭銷可在軸套內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，避免軸銷焊接帶來的缺陷。此外，球頭銷還具有軸向磨損間隙補(bǔ)償、徑向跳動量小、應(yīng)力截面無突變、可充分減少應(yīng)力集中現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂結(jié)構(gòu)如圖9所示。

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂中，安裝支架與軸套焊接在一起，球頭銷則與擺臂采用錐面結(jié)構(gòu)配合，利用鎖母進(jìn)行固定，球頭銷與擺臂一起相對軸套轉(zhuǎn)動，此時(shí)危險(xiǎn)截面位置下降，同時(shí)通過增大該危險(xiǎn)截面的尺寸進(jìn)一步提高安全系數(shù)。通過計(jì)算校核，改進(jìn)后軸銷的最大應(yīng)力σ=238MPa，安全系數(shù)n=3.3，滿足理論安全系數(shù)要求。

圖9　改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂結(jié)構(gòu)示意圖

利用“12標(biāo)準(zhǔn)工況法”對改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂進(jìn)行CAE分析，分別校核軸銷斷裂的極限工況、轉(zhuǎn)向搖臂位于0°位置但車輛分別承受橫向2g沖擊、0.4g制動轉(zhuǎn)向及0.5g加速沖擊等4種軸銷受力最大的典型工況，并與改進(jìn)前原軸銷的應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果如圖10～13所示。

圖10　轉(zhuǎn)向搖臂0°、整車2g橫向沖擊工況下的軸銷應(yīng)力對比（單位：MPa）

圖11　轉(zhuǎn)向搖臂0°、整車0.4g制動轉(zhuǎn)向工況下的軸銷應(yīng)力對比（單位：MPa）

圖12　轉(zhuǎn)向搖臂0°、整車0.5g加速沖擊工況下的軸銷應(yīng)力對比（單位：MPa）

圖13　軸銷斷裂極限工況下的軸銷應(yīng)力對比（單位：MPa）

從圖10～13可見：改進(jìn)后軸銷的最大應(yīng)力僅221MPa，安全系數(shù)達(dá)3.6。

經(jīng)過多次整車道路試驗(yàn)驗(yàn)證，按優(yōu)化方案改進(jìn)后，該車再未出現(xiàn)轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷斷裂現(xiàn)象，證明安全系數(shù)可靠，改進(jìn)效果滿足使用要求。

5　結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的焊縫位置選擇對隨動臂軸銷的強(qiáng)度和疲勞壽命至關(guān)重要，焊縫微細(xì)裂紋、不合理的焊接位置、不合理的焊接方法在復(fù)雜、惡劣的車輛使用條件下易引起脆性斷裂，焊縫應(yīng)避開應(yīng)力較大的部位。

（2）對于轉(zhuǎn)向拉桿隨動臂軸銷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)，綜合考慮各種工況，為了保證其可靠性，理論計(jì)算和CAE分析的安全系數(shù)都應(yīng)保證在3以上。該理論計(jì)算和CAE分析可拓展到整個轉(zhuǎn)向拉桿總成。

（3）對于承受較大沖擊載荷和復(fù)雜應(yīng)力的軸銷類零件，應(yīng)避免在零件上進(jìn)行焊接操作，以充分發(fā)揮40Cr材質(zhì)的軸銷類零件良好的韌性和剛性。

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