周雪巍，王麗永，郭 俊，王月玲，劉陽(yáng)峰 Zhou Xuewei，Wang Liyong，Guo Jun，Wang Yueling，Liu Yangfeng

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轉(zhuǎn)向中間軸熱害性能優(yōu)化分析

周雪巍，王麗永，郭 俊，王月玲，劉陽(yáng)峰 Zhou Xuewei，Wang Liyong，Guo Jun，Wang Yueling，Liu Yangfeng

（北京汽車(chē)工程研究總院，北京 101300）

針對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向中間軸熱害過(guò)程中出現(xiàn)的失效不足現(xiàn)象，通過(guò)分析，優(yōu)化排氣歧管隔熱罩，提升隔熱效果，減小對(duì)轉(zhuǎn)向中間軸的熱輻射效應(yīng)，并對(duì)優(yōu)化后的性能進(jìn)行CAE仿真和實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

轉(zhuǎn)向中間軸；熱害；熱輻射效應(yīng)

0 引 言

轉(zhuǎn)向中間軸作為傳遞駕駛員轉(zhuǎn)向意圖到車(chē)輪的部件，不僅具有減小路面?zhèn)鬟f給駕駛員噪聲和振動(dòng)的功能，還具有一定的扭轉(zhuǎn)剛度及耐高低溫性能。轉(zhuǎn)向中間軸轉(zhuǎn)向管柱及轉(zhuǎn)向器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙里，通風(fēng)散熱條件比較差，某些發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管與中間軸布置在同一側(cè)，距離較近，排氣歧管產(chǎn)生的熱量會(huì)輻射到轉(zhuǎn)向中間軸上，通常轉(zhuǎn)向中間軸耐溫性能為-40～120 ℃，熱害試驗(yàn)時(shí)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向中間軸造成破壞性影響，威脅行車(chē)安全。通過(guò)對(duì)一款轉(zhuǎn)向中間軸布置優(yōu)化，以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管隔熱罩進(jìn)行優(yōu)化，解決了熱害試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

某車(chē)型在進(jìn)行環(huán)境倉(cāng)熱害試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)向中間軸受熱溫度過(guò)高，在進(jìn)行40 km/h，12%坡度工況試驗(yàn)時(shí)，上部溫度達(dá)到137 ℃，花鍵部位出現(xiàn)尼龍及隔振套橡膠融化。環(huán)境倉(cāng)熱害試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 12542，具體試驗(yàn)條件、試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2，轉(zhuǎn)向中間軸布點(diǎn)如圖1所示。

表1 環(huán)境倉(cāng)熱害試驗(yàn)條件

序號(hào)環(huán)境溫度/℃車(chē)速/（km/h）坡度擋位空調(diào) 13814002HON（內(nèi)循環(huán)） 2907.2%2HON（內(nèi)循環(huán)） 3507.2%2HON（內(nèi)循環(huán)） 4（怠速）0NAON（內(nèi)循環(huán)） 5334012%4HON（內(nèi)循環(huán)） 66010%4HON（內(nèi)循環(huán)） 7最大扭矩4HON（外循環(huán)） 8額定功率4HON（外循環(huán)） 其他條件：濕度40%；光照1 000 W/m2；空調(diào)吹面模式，風(fēng)量最大。 工況完成情況5個(gè)熱平衡試驗(yàn)工況，正常完成。

注：2H為兩驅(qū)高擋位；4H為四驅(qū)高擋位。

圖1 轉(zhuǎn)向中間軸布點(diǎn)

表2 環(huán)境倉(cāng)熱害試驗(yàn)結(jié)果

車(chē)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(chē)轉(zhuǎn)向中間軸失效的主要原因是由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向中間軸的溫度較高，見(jiàn)表2（最高137 ℃），超過(guò)了最高耐熱能力。

目前轉(zhuǎn)向中間軸耐溫性能為-40～120 ℃，中間軸滑動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如圖2所示。

3 性能優(yōu)化分析

針對(duì)問(wèn)題，對(duì)排氣歧管隔熱罩優(yōu)化，并調(diào)整轉(zhuǎn)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(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行熱害仿真分析以及力矩波動(dòng)分析。

1）建立仿真模型進(jìn)行CAE分析，如圖5所示，仿真試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向中間軸最高溫度由142 ℃降至110℃。

2）優(yōu)化中間軸力矩波動(dòng)校核，如圖6所示。

如圖7所示，管柱軸線(xiàn)（直線(xiàn)AB）與中間軸軸線(xiàn)（直線(xiàn)BC）夾角1為23°。

中間軸軸線(xiàn)（直線(xiàn)BC）與轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸軸線(xiàn)（直線(xiàn)CD）夾角2為17°。

則等效夾角為

因此整個(gè)管柱的力矩波動(dòng)范圍為cos～1/cos，因?yàn)闉?5.4°，所以輸出力矩波動(dòng)范圍為0.96～1.04，如圖6所示，力矩波動(dòng)在4%以?xún)?nèi)，技術(shù)要求在5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足要求。

3）優(yōu)化后熱害試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。轉(zhuǎn)向中間軸在40 km/h，12 %坡度工況試驗(yàn)時(shí)，中間軸上部高溫度點(diǎn)消失，最高溫度點(diǎn)為107 ℃。

表3 環(huán)境倉(cāng)熱害試驗(yàn)結(jié)果

車(chē)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(jié) 論

1）轉(zhuǎn)向中間軸一般布置在前機(jī)艙，如果離發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管及三元催化器較近，需要考慮熱害試驗(yàn)影響。

2）轉(zhuǎn)向中間軸力矩波動(dòng)主要影響操縱穩(wěn)定性，所以轉(zhuǎn)向中間軸的布置需要考慮減小力矩波動(dòng)。

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(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]劉維信. 汽車(chē)設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

2017-03-28

1002-4581（2017）04-0019-03

U463.43

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.006