某重型車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)搖臂斷裂問題分析

李強，任波

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

某重型車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)搖臂斷裂問題分析

李強，任波

(泰安航天特種車有限公司，山東泰安 271000)

某重型車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)搖臂斷裂，對車輛的行車安全造成重大影響。通過對轉(zhuǎn)向搖臂進行力學(xué)校核、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析，確定斷裂的根本原因，杜絕類似問題發(fā)生。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向搖臂；斷裂分析

0 引言

轉(zhuǎn)向功能是車輛重要的功能之一，如該系統(tǒng)出現(xiàn)問題，對車輛的行車安全有重大影響?，F(xiàn)重型車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由機械傳動部分和液壓助力部分組成。作者根據(jù)國內(nèi)某重型車輛轉(zhuǎn)向搖臂斷裂的問題，分析導(dǎo)致問題發(fā)生的原因，杜絕類似問題發(fā)生。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介

某重型車輛為一二橋轉(zhuǎn)向形式，液壓助力轉(zhuǎn)向。該車型轉(zhuǎn)向傳動縱拉桿系由轉(zhuǎn)向垂臂、一橋縱拉桿、一橋搖臂、一橋直拉桿、一二橋連桿、二橋搖臂、二橋直拉桿、直拉桿臂等組成，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動簡圖

2 問題描述

車輛使用過程中，發(fā)現(xiàn)一橋搖臂斷裂，斷裂點為一橋轉(zhuǎn)向搖臂，如圖1所示。

3 問題原因分析

導(dǎo)致?lián)u臂斷裂可能的原因如下：

(1)搖臂設(shè)計強度不足

車輛正常使用過程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加給搖臂的力矩大于所能承受的力矩，造成搖臂斷裂。

(2)搖臂材質(zhì)問題

搖臂設(shè)計材質(zhì)為ZG40Cr，搖臂材質(zhì)不符合ZG40Cr成分要求，導(dǎo)致強度降低，造成搖臂斷裂。

(3)鑄造缺陷

搖臂為鑄造件，在鑄造過程中，搖臂存在鑄造缺陷，導(dǎo)致?lián)u臂斷裂。

4 具體分析

(1)搖臂設(shè)計強度復(fù)核

轉(zhuǎn)向搖臂設(shè)計材質(zhì)為ZG40Cr,熱處理狀態(tài)為正火+回火，此狀態(tài)下ZG40Cr抗拉強度為630 MPa 、屈服強度345 MPa。

當(dāng)車輛二橋懸空時，一橋轉(zhuǎn)向至限位工況下，此時，一橋輪胎達到限位，無法運動，油缸產(chǎn)生的推力與反饋過來的反作用力相互抵消。一橋縱拉桿此時沒有從一橋油缸傳遞過來的力矩。整個桿系所受力矩為方向盤手力轉(zhuǎn)化到垂臂上的力矩及二橋助力油缸產(chǎn)生的力矩。

以ANSYS為平臺建立搖臂的有限元模型，通過靜力學(xué)分析計算搖臂受力時的應(yīng)力值，搖臂的應(yīng)力計算結(jié)果如圖2所示。

有限元計算結(jié)果顯示：應(yīng)力最大值為搖臂加強筋后部變截面處，最大應(yīng)力值為120.1 MPa。

圖2 一橋搖臂計算結(jié)果應(yīng)力云圖

通過分析計算可知，車輛轉(zhuǎn)向縱拉桿系一橋搖臂最大受力工況為：二橋懸空，前橋車輪右轉(zhuǎn)向達到極限位置，液壓系統(tǒng)壓力達到系統(tǒng)設(shè)定壓力13.5 MPa時，此時第一搖臂最大應(yīng)力值為120.1 MPa，小于屈服強度345 MPa，滿足設(shè)計使用要求。

(2)搖臂材質(zhì)分析

對問題搖臂進行化學(xué)成分檢驗，如表1所示。

表1 搖臂化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)及檢測結(jié)果

結(jié)論：根據(jù)鋼的化學(xué)成分允許偏差GB/T 222-2006判為合格。

對問題搖臂進行力學(xué)性能分析，如表2所示。

表2 一橋搖臂機械性能標(biāo)準(zhǔn)及檢測結(jié)果

結(jié)論：抗拉強度合格。

(3)鑄造缺陷分析

對問題搖臂進行了斷口掃描電鏡分析，斷口上表面黑色區(qū)域能譜分析主要成分為Fe及Fe化合物，金相觀察黑色區(qū)域，表面存在明顯脫碳現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 斷面上表面金相圖

由此可確定搖臂的斷裂形式為鑄造裂紋，搖臂基體組織為珠光體+鐵素體。

綜上可知：故障搖臂開裂部位存在鑄造缺陷裂紋，因裂紋造成一橋搖臂強度降低，當(dāng)車輛行駛過程中遇到較大沖擊時，一橋搖臂沿裂紋擴展發(fā)生斷裂。

5 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響車輛的行車安全，各部組件在設(shè)計時需充分考慮強度，在加工過程中需重點監(jiān)控各部組件材料、鑄造和裝配等各方面質(zhì)量，杜絕轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)問題。

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Analysis of Radial Fracture Problem of a Heavy Vehicle Steering System

LI Qiang,REN Bo

(Taian Aerospace Special Vehicle Co.,Ltd.,Taian Shandong 271000,China)

Rocker arm of a heavy vehicle steering system fractured, influencing driving safety seriously. Through mechanical check, chemical analysis, mechanical properties analysis, the root cause of the fracture was determined to put an end to similar problems.

Steering system；Steering arm；Fracture analysis

2016-09-08

李強(1986—)，男，助理工程師，研究方向為車輛工程。E-mail:15153829123@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.015

U461.91

A

1674-1986(2016)12-063-03