汽車轉(zhuǎn)向限位系統(tǒng)失效分析及優(yōu)化

曹亞東

摘 要：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響整車安全性的關(guān)鍵系統(tǒng)。文章通過運(yùn)用因果分析圖、設(shè)計(jì)校核計(jì)算等方法，分析某汽車轉(zhuǎn)向限位系統(tǒng)失效的主要原因，通過優(yōu)化，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證效果良好。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向限位系統(tǒng)；因果分析法；設(shè)計(jì)校核

中圖分類號(hào)：U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）17-203-03

Abstract： Vehicle steering system is the key system that affects vehicle safety. In this paper， the main reasons of the failure of a car's steering limit system are analyzed by using the method of causality analysis and design， and the results of the test are proved to be good by the experiment.

Keywords： Steering limit system； Causality analysis； Design and check

CLC NO.： U463.4 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-203-03

前言

轉(zhuǎn)向限位系統(tǒng)是確保汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向安全的重要組成部分。主要類型可分為車輪限位、車架限位、液壓限位。此文被研究汽車屬于車輪限位，其工作原理是通過安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)上的限位螺栓限制車輪的最大內(nèi)外轉(zhuǎn)向角度，從而確保車輛行駛過程中的安全性。若該系統(tǒng)出現(xiàn)失效，將會(huì)對(duì)車輛的安全性能造成重大風(fēng)險(xiǎn)。

1 失效模式

某汽車轉(zhuǎn)向限位屬于車輪限位，進(jìn)行20次極限轉(zhuǎn)向操作后，經(jīng)目測檢查轉(zhuǎn)向限位螺栓發(fā)生明顯彎曲變形，造成轉(zhuǎn)向限位系統(tǒng)失效，如圖1所示。

2 原因分析

車輪限位屬于被動(dòng)限位，且限位沖擊力僅由一根限位螺栓來承受，當(dāng)受到大轉(zhuǎn)角沖擊時(shí)，如果限位螺栓存在質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)匹配不合理，均有可能導(dǎo)致限位螺栓在短工作周期內(nèi)出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象。根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成和因果分析圖，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測六個(gè)方面對(duì)限位螺栓彎曲變形的可能原因進(jìn)行分析，如圖2和圖3所示：

通過以上分析，導(dǎo)致限位螺栓彎曲變形的原因如下：

1）限位螺栓產(chǎn)品質(zhì)量問題

2）動(dòng)轉(zhuǎn)泵輸出壓力異常

3）動(dòng)轉(zhuǎn)泵匹配設(shè)計(jì)不合理

4）限位螺栓設(shè)計(jì)不合理

2.1 限位螺栓檢測

2.1.1 尺寸及硬度檢測

該螺栓型號(hào)為：3001109G5QZ，規(guī)格為：M12*1.25-6H，檢測結(jié)果如表1：

根據(jù)以上檢測結(jié)果，螺栓的尺寸和硬度均符合設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 化學(xué)成分檢測

該螺栓的材料為40Cr，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表2：

根據(jù)表1和表2檢測結(jié)果，均符合設(shè)計(jì)要求，螺栓本身沒有產(chǎn)品質(zhì)量問題，屬于合格產(chǎn)品。限位螺栓質(zhì)量不是造成變形的主要原因。

2.2 動(dòng)轉(zhuǎn)泵壓力檢測及匹配校核

限位螺栓的受力來源于動(dòng)轉(zhuǎn)泵產(chǎn)生的工作壓力，動(dòng)轉(zhuǎn)泵壓力是否正常和匹配合理性直接影響是否變形。該車匹配的動(dòng)轉(zhuǎn)泵型號(hào)為G0100-3407100A（玉柴），并有明確的輸出壓力標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)檢測，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表3：

經(jīng)校核，動(dòng)轉(zhuǎn)泵與方向機(jī)的流量差及壓力差均在±10%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)轉(zhuǎn)泵壓力匹配合理，具體如表4。

2.3 限位螺栓受力及安全系數(shù)設(shè)計(jì)分析

通過建立轉(zhuǎn)向限位系統(tǒng)數(shù)模，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，校核出限位螺栓理論受力角度，最終校核的角度：螺栓受力角為11°，如圖4：

針對(duì)數(shù)模校核的受力角度，進(jìn)行螺栓的受力安全系數(shù)計(jì)算：

具體計(jì)算過程：

1）受力=轉(zhuǎn)向節(jié)力矩×1000/螺栓力臂= 28214；

2）受力面積=π×（0.5×螺紋最小直徑）2 = 8.4557×10-5

3）壓力=受力×10-6/受力面積 = 333.7

4）抗彎截面模量=（π×螺紋最小直徑4）/64 =5.69×10-10

5）彎矩=0.03×受力×tan（受力角度×π/180） = 164.5

6）彎曲應(yīng)力=彎矩×螺紋最小直徑×0.5×10-6/抗彎截面模量 = 1500.2

7）應(yīng)力和=彎曲應(yīng)力+壓力 =1833.9

8）安全系數(shù)=材料屈服強(qiáng)度/應(yīng)力和 = 0.43

通過計(jì)算校核發(fā)現(xiàn)限位螺栓設(shè)計(jì)的安全系數(shù)僅為0.43，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（安全系數(shù)≥1）。

2.4 螺栓彎曲變形原因確認(rèn)

由此可以得出最終結(jié)論，限位螺栓彎曲變形的主要原因：限位螺栓受力角度設(shè)計(jì)不合理。

3 優(yōu)化方案及效果驗(yàn)證

針對(duì)分析螺栓變形的主要原因，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化：

1）調(diào)整螺栓受力角度，由原11°改為3°，達(dá)到安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。

2）優(yōu)化限位螺栓，規(guī)格由原M12*1.5改為M14*1.5，螺栓頭部由圓頭改為平頭。

通過對(duì)更換新限位螺栓的車輛并進(jìn)行極限轉(zhuǎn)向試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證優(yōu)化后的螺栓未出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象，通過驗(yàn)證整改有效。具體見圖9：

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)轉(zhuǎn)向限位系統(tǒng)的了解，運(yùn)用因果分析圖、建模并進(jìn)行校核和計(jì)算分析，有效分析出限位螺栓的受力角度設(shè)計(jì)不合理是造成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效的主要原因，并通過設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，有效解決了轉(zhuǎn)向限位失效問題。

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