汽車轉向系統(tǒng)摩擦學技術與應用

高文華，李陽

（1.山東黑旋風鋸業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271100；2.濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022）

汽車轉向系統(tǒng)摩擦學技術與應用

高文華1，李陽2

（1.山東黑旋風鋸業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271100；2.濟南大學 機械工程學院，山東 濟南 250022）

汽車轉向系統(tǒng)是汽車構造中一個極其重要的部分，它直接影響著汽車的行駛安全，本文針對汽車的機械轉向系，結合工程理論和實際，從摩擦學的角度對轉向系進行了研究分析。分別對傳動軸花鍵、橫直拉桿球頭銷、萬向節(jié)、轉向器、轉向節(jié)這五種重要的摩擦副行為進行了研究。

汽車；轉向系統(tǒng)；摩擦學

汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂汽車轉向。就輪式汽車而言，實現(xiàn)汽車轉向的方法是，駕駛員通過一套專設的機構，使汽車轉向橋（一般是前橋）上的車輪（轉向輪）相對于汽車縱軸線偏轉一定角度。在汽車直線行駛時，往往轉向輪也會受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動偏轉而改變行駛方向。此時，駕駛員也可以利用這套機構使轉向輪向相反方向偏轉，從而使汽車恢復原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構，即稱為汽車轉向系統(tǒng)（俗稱汽車轉向系）。因此，汽車轉向系的功用是保證汽車能按駕駛員的意志而進行轉向行駛。汽車轉向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統(tǒng)的零件都稱為保安件。了解這些保安件之間的摩擦行為并定期做潤滑保養(yǎng)就顯得尤為重要。

1 汽車轉向系的工作原理

汽車轉向系統(tǒng)分為兩大類：機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)。機械轉向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉向能源，其中所有傳力件都是機械的。機械轉向系由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。

圖1所示為機械轉向系的組成和布置示意圖。當汽車轉向時，駕駛員對轉向盤1施加一個轉向力矩。該力矩通過轉向軸2、轉向萬向節(jié)3和轉向傳動軸4輸入轉向器5。經(jīng)轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向搖臂6，再經(jīng)過轉向直拉桿7傳給固定于左轉向節(jié)9 上的轉向節(jié)臂8，使左轉向節(jié)和它所支承的左轉向輪偏轉。為使右轉向節(jié)13及其支承的右轉向輪隨之偏轉相應角度，還設置了轉向梯形。轉向梯形由固定在左、右轉向節(jié)上的梯形臂10、12和兩端與梯形臂作球鉸鏈連接的轉向橫拉桿11組成。

從轉向盤到轉向傳動軸這一系列部件和零件屬于轉向操縱機構。由轉向搖臂至轉向梯形這一系列部件和零件（不含轉向節(jié)）均屬于轉向傳動機構。

圖1 機械轉向系的組成和布置示意圖

2 各個摩擦副之間的摩擦行為

2.1 傳動軸滑動花鍵連接的摩擦行為

2.1.1 簡介

車用轉向傳動軸是汽車轉向系統(tǒng)中的重要部件之一，主要起傳遞駕駛員施加給轉向盤的扭矩，驅動轉向器工作，以達到控制汽車行駛方向的作用。它的運轉正常與否，將直接影響到汽車的行駛安全。汽車的傳動軸一般由萬向節(jié)、軸管和伸縮套組成。如圖2所示，圖2中套管和伸縮套是由滑動花鍵連接的。由于要保證轉向系統(tǒng)在工作時不能有較大的空行程，保證駕駛機動性，花鍵齒側應保持較小的配合間隙，因此，聯(lián)接花鍵采用“齒側定心”方式。目前滑動花鍵式轉向傳動軸的花鍵形式普遍采用矩形花鍵，材料采用中碳鋼。

圖2 傳動軸總成

由于汽車傳動軸和花鍵置于底部位置既要承受由車輪、車架傳遞過來不平路面的沖擊振動，又隨時面臨路面的磕碰和泥沙的侵入，因而加劇了傳動軸與花鍵聯(lián)接件的磨損破壞。據(jù)統(tǒng)計資料表明：發(fā)生傳動軸故障,因磨損引起的占97．6%，因斷裂破壞引起的僅占2．4%，而在傳動軸的各零件中尤以花鍵聯(lián)接的磨損破壞故障為最多。因此，欲提高花鍵聯(lián)接的可靠性乃至整機運行的可靠性，就必須分析傳動軸花鍵聯(lián)接的磨損現(xiàn)象和磨損機理，研究與耐磨性有關的影響因素及它們的內在規(guī)律。

2.1.2 傳動軸花鍵磨損機理研究

滑動花鍵式車用轉向傳動軸在工作時，聯(lián)接花鍵在承受一定正、反轉矩的同時，花鍵軸和花鍵套為適應車體的振動，還要進行相對往復滑動，花鍵齒側要受到一定往復頻率的沿軸向的摩擦力。再加上動力傳遞過程中的瞬時沖擊，其主要的磨損機理是粘著磨損。當在不好的路況上行駛時，灰塵、泥砂等小顆粒會落入聯(lián)接件中。在花鍵聯(lián)接件的旋轉、滑動過程中，這些顆粒使花鍵在承受粘著磨損的同時又伴隨著磨料磨損。

2.1.3 處理措施

為增加花鍵的耐磨性，花鍵軸和花鍵套均需調質處理，硬度285～321HBS 。并在熱處理后進行磨削加工，以減少不平度對花鍵磨損的影響；除此之外，定期加注含有二硫化鉬型潤滑脂，也可以有效改善磨損狀況。

另外，為了更大程度地減少軸向滑動力，可以在花鍵聯(lián)接處涂裝一層尼龍11（聚酰胺-11）覆蓋層，它具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，可使振動受到阻尼，且使工作面上的載荷更加均勻，因而降低了花鍵聯(lián)接的工作應力，也改善了其磨損情況。

2.2 轉向拉桿球頭銷與球頭座的摩擦行為

2.2.1 簡介

在汽車底盤的懸掛轉向系統(tǒng)，轉向直拉桿與轉向節(jié)臂的相對運動都是空間運動，為了不發(fā)生干涉，轉向直拉桿與轉向搖臂及轉向節(jié)臂三者之間都采用球頭銷。

球頭銷是汽車轉向拉桿連接部分的一個重要零件，它與球座組成球面運動副。能保證汽車操縱的穩(wěn)定性，行駛的平順性、舒適性、安全性及汽車正確、準確的行駛方向，起到支承汽車重量，傳遞操縱方向力的作用。因此，要求球形支撐表面必須耐磨和適當潤滑。如果潤滑不良，球節(jié)間會發(fā)生磨損和金屬疲勞，嚴重時，直接危害汽車的行車安全。圖3為汽車轉向直拉桿總成。

圖3 汽車轉向直拉桿總成

2.2.2 球頭銷的磨損機理分析

球頭可以實現(xiàn)多方向往復的轉動，球頭銷的球頭與球頭座部件間的接觸壓力很大。既有上下運動，也有轉動；既受推力，又有軸向力，還可能產(chǎn)生微動。因此，要求球形支撐表面必須耐磨和適當潤滑。如果潤滑不良，球頭與球頭座就會由混合摩擦變?yōu)楦赡Σ粒瑥亩蚬?jié)間會發(fā)生粘著磨損和金屬疲勞。

轉向拉桿的失效與球頭銷的機械性能有著密切的關系。球頭銷工作時，當球頭銷運動到極限位置時，其軸頸與軸頭碗相接觸并發(fā)生干涉。在極限位置時，其受力情況如圖4所示。

圖4 球頭銷運動時受力圖

其中：M點為球頭銷和球頭銷座結合處，N為球頭銷頸部與頸碗干涉處，F(xiàn)為轉向力，當球頭銷運動到極限位置時，與球頭銷碗發(fā)生干涉，經(jīng)過反復摩擦導致球頭銷軸頸逐漸出現(xiàn)劃痕，繼而出現(xiàn)應力集中、疲勞裂紋現(xiàn)象，甚至可能發(fā)生整體斷裂。

2.2.3 處理措施

現(xiàn)在球頭銷的球頭座與球頭材料多是鋼（20CrMnTi）—塑料（聚甲醛）。一方面可以對球頭銷采用新材料或者采用先進的加工工藝,提高球頭銷的疲勞強度,延長其使用壽命，比如合理調節(jié)鐵、碳、鉻、錳、硫、磷、硅等各成分的含量。

另一方面使用正確的潤滑脂進行潤滑，根據(jù)其工況，球頭銷潤滑脂由12-羥基硬脂酸鋰皂稠化全合成油并加入優(yōu)質抗氧劑、防銹劑、極壓抗磨劑制成，具有優(yōu)異的低溫性能、防銹性和耐磨黏附性能，以及良好的耐高溫性和氧化安定性。

2.3 萬向節(jié)的摩擦行為研究

2.3.1 簡介

萬向節(jié)即萬向接頭，是實現(xiàn)變角度動力傳遞的機件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，它是汽車驅動系統(tǒng)的萬向傳動裝置的 “關節(jié)”部件。萬向節(jié)與傳動軸組合，稱為萬向節(jié)傳動裝置。十字軸式剛性萬向節(jié)由萬向節(jié)叉、十字軸、滾針軸承、油封、套筒、軸承蓋等件組成，如圖5所示。

圖5 十字軸式萬向節(jié)總成

2.3.2 萬向節(jié)磨損機理分析

在工作中，十字軸萬向節(jié)會因傳動軸的高轉速而承受較大的扭矩和沖擊負荷，同時，十字軸和滾針軸承間也承受較大的交變應力。通常在使用過程中，萬向節(jié)十字軸上的滾針軸承不是作旋轉運動，而是擺動。其載荷呈交變的周期變化，在大的交變應力作用下，對潤滑脂要求有良好的極壓性。否則，滾針與十字軸頸之間就會在高壓下處于近似干摩擦狀態(tài)，從而產(chǎn)生粘著磨損。

另外，由于萬向節(jié)總成上的滾針軸承在傳動軸擺角較小的使用狀態(tài)下，滾針軸承與十字軸軸頸之間反復地在小角度范圍內擺動，當十字軸與軸承徑向游隙隨著磨損擴大時，易使產(chǎn)品集中載荷，集中在載荷大的地方就過早地產(chǎn)生疲勞裂紋，因而發(fā)展成為大面積的疲勞剝落，特別是在十字軸軸頭處，由于應力集中影響，其受載部位的倒角幾乎全部被啃掉；同時觀察到大多數(shù)滾針表面都存在麻點，麻坑和大面積疲勞剝落，甚至造成滾針斷裂，即產(chǎn)生疲勞磨損，如圖6所示。

圖6 滾針的疲勞磨損

2.3.3 處理措施

應定期給萬向節(jié)加注齒輪油進行潤滑，因為齒輪油具有如下優(yōu)點。

（1）齒輪油具有適當?shù)恼扯?，油不致于因離心力從接觸面甩掉，并且由于油膜強度較高，能形成良好的彈性動壓潤滑。

（2）齒輪油具有優(yōu)良的油性和極壓性，能保證在壓力很高的工作條件下，也能建立起邊界潤滑膜。

2.4 汽車轉向器的摩擦行為研究

2.4.1 簡介

轉向器的作用是把來自轉向盤的轉向力矩和轉向角進行適當?shù)淖儞Q（主要是減速增矩），再輸出給轉向拉桿機構，從而使汽車轉向，轉向器有多種類型，如齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿曲柄指銷式等。

以齒輪齒條式為例，它是一種最常見的轉向器。其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉向軸帶動小齒輪旋轉時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉向輪轉向，如圖7所示。

圖7 齒條齒輪式轉向器

2.4.2 轉向器磨損機理分析

汽車在工作時，尤其是在不好的路況行駛或者急轉彎的情況下，轉向器連續(xù)工作，可能會因溫度升高，破壞潤滑油的油膜，從而使齒面金屬直接接觸，并在隨后的相對滑動中，相互粘連的金屬沿著相對滑動方向相互撕扯而出現(xiàn)一條條劃痕。從而產(chǎn)生粘著磨損。

另外，汽車在反復轉向時，齒輪還會受到較大彎曲內應力，在反復交變力、齒面摩擦力、循環(huán)接觸應力反復作用下，在齒面或其表層內會產(chǎn)生微小的裂紋，這些微裂紋繼續(xù)擴展，相互連接，形成小片并脫落，在齒面上出現(xiàn)細碎的凹坑或麻點，即產(chǎn)生疲勞磨損。

2.4.3 處理措施

首先在齒輪加工后后進行高頻淬火并回火，保證齒部及齒面硬度符合使用要求。另外，要對轉向器定期進行人工潤滑，并且要選用正確的潤滑脂，石墨鈣基潤滑脂中的ZG-S潤滑脂。

2.5 轉向節(jié)的摩擦行為研究

2.5.1 簡介

轉向節(jié)又稱“羊角”，是汽車轉向橋中的重要零件之一，能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向。轉向節(jié)的功用是傳遞并承受汽車前部載荷，支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強度，如圖8所示。

2.5.2 轉向節(jié)磨損機理分析

汽車轉向節(jié)主要的失效形式就是主銷斷裂，現(xiàn)在汽車的主銷材質多是45號鋼。隨著汽車在啟動、轉彎、顛簸、急剎車等多種惡劣工況產(chǎn)生的交變應力的作用，轉向節(jié)與襯套之間的潤滑脂被擠出，造成粘著磨損。

另外轉向節(jié)主銷長期承受沖擊載荷作用。載荷忽大忽小，裂紋經(jīng)多次張開閉合開始擴展。而隨著裂紋的擴展，主銷的有效截面逐漸減小，當接觸應力激發(fā)起內應力超過有效面積的剪切屈服強度時，就發(fā)生了斷裂。

2.5.3 處理措施

首先定期在主銷與襯套之間加注黃油進行潤滑。

另外，如采用45 號鋼做轉向節(jié)主銷，應先進行調質處理，淬火介質可以采用專用的淬火油，冷卻速度一般在102℃/s，這樣可以避免冷卻速度過快而開裂，得到心部硬度控制在 28～32 HRC 的主銷，使主銷有足夠的強度和韌性；再進行高頻感應淬火；最后進行低溫回火來消除熱處理帶來的殘余應力。通過這一工藝過程不僅使表面獲得回火馬氏體，保證了表面硬度、硬化層的厚度分別達到相應的要求，提高了耐磨性。

3 結語

作為汽車的一個重要組成部分，汽車轉向系統(tǒng)是決定汽車主動安全性的關鍵總成，研究汽車轉向系統(tǒng)所存在的摩擦學知識變得越來越重要，了解他們之間的磨損并采取正確的措施去處理，始終是各汽車生產(chǎn)廠家和科研機構的重要研究課題。

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