楊慶　李晶　毛鵬鵬　王永軍　趙艷麗　解娜

摘 要：本文對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)主銷的工作原理及技術(shù)要求進(jìn)行綜述，通過有限元分析及試驗(yàn)分析等方法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)銷受力進(jìn)行分析，改進(jìn)熱處理工藝，達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié)銷 熱處理 有限元

Exploration on the Heat Treatment Process of the King Pin of Automobile Steering Knuckle

Yang Qing，Li Jing，Mao Pengpeng，Wang Yongjun，Zhao Yanli，Xie Na

Abstract：This article summarizes the working principle and technical requirements of the steering knuckle pin， analyzes the force of the steering knuckle pin through finite element analysis and experimental analysis， and improves the heat treatment process to achieve the purpose of improving product quality.

Key words：steering knuckle pin， heat treatment， finite element

1 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)主銷是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，轉(zhuǎn)向節(jié)上銷孔的兩耳通過主銷與前軸兩端的拳頭部分相連，使前輪可以繞主銷偏轉(zhuǎn)一定角度而使汽車轉(zhuǎn)向。為了減小磨損，轉(zhuǎn)向節(jié)銷孔內(nèi)壓人襯套。轉(zhuǎn)向節(jié)銷除了承受一定的載荷外還要求有靈活的轉(zhuǎn)向性能。由于大型重載汽車的工作條件復(fù)雜惡劣，長(zhǎng)期運(yùn)行在工地、礦上等工況環(huán)境，頻繁的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、顛簸、急剎車等，使轉(zhuǎn)向節(jié)主銷長(zhǎng)期承受沖擊載荷作用。而重載汽車運(yùn)行中轉(zhuǎn)向節(jié)主銷損壞將會(huì)使汽車失去平衡和方向控制，其后果嚴(yán)重甚至?xí)斐煞嚮蜍嚉送鍪鹿实陌l(fā)生。所以轉(zhuǎn)向節(jié)主銷是大型重載汽車的安保件。

轉(zhuǎn)向節(jié)銷通常采用40Cr或20CrMoTi等合金鋼，也有使用45號(hào)鋼，40Cr 鋼屬于亞共析鋼，緩冷至室溫后的顯微組織為鐵素體加珠光體，含有較少的合金元素，屬于低淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)適當(dāng)熱處理后具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能，常用于制造汽車的連桿、螺栓、傳動(dòng)軸及機(jī)床主軸等機(jī)械零件。轉(zhuǎn)向節(jié)銷熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處后滲碳淬火處理再低溫回火或者調(diào)質(zhì)處理后中頻淬火+低溫回火。由于鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織硬而脆，并且在工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如果直接進(jìn)行磨削加工則往往會(huì)出現(xiàn)龜裂，節(jié)銷在使用過程中將會(huì)引起尺寸變化從而失去精度，甚至開裂。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)銷失效分析，大多是從研究淬火開裂原因?qū)で笙鄳?yīng)的解決辦法。用常規(guī)方法淬冷（機(jī)油、柴油冷卻）后，仍不能滿足設(shè)計(jì)要求，改用其他淬火液淬火并調(diào)整相應(yīng)的熱處理工藝參數(shù)，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，可有效解決常規(guī)油淬時(shí)出現(xiàn)硬度不足的問題。

轉(zhuǎn)向節(jié)銷連接主軸和轉(zhuǎn)向節(jié)，基本無疲勞，受力主要為急剎時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)對(duì)節(jié)銷的剪切力。表面中頻提高表面耐磨性及抗剪切力，心部調(diào)質(zhì)目的是提高抗彎性能，節(jié)銷在主軸及轉(zhuǎn)向節(jié)作用下產(chǎn)生彎曲的可能性很小，因此本文提出是否可以用正火工藝替代調(diào)質(zhì)工藝，可避免調(diào)質(zhì)處理產(chǎn)生的淬火裂紋，降低節(jié)銷的開裂傾向。

本文根據(jù)40Cr鋼轉(zhuǎn)向節(jié)銷實(shí)際熱處理工藝，分三種工況對(duì)其進(jìn)行分析其受力，并進(jìn)行模擬疲勞試驗(yàn)，具體分析如下。

2 轉(zhuǎn)向節(jié)銷受力分析

2.1 幾何信息

根據(jù)有限元分析設(shè)置邊界條件的需要，對(duì)所有轉(zhuǎn)向節(jié)銷外表面進(jìn)行劃分，分別為與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的兩個(gè)面，與前軸連接和與推力軸承連接的面，方便添加載荷。如圖1所示。

2.2 節(jié)銷在前橋中的受力分析

2.2.1 在三種不同工況中受力分析

（1）制動(dòng)工況，見圖2。

（2）側(cè)滑工況，見圖3。

（3）動(dòng)載工況，見圖4。

以上三種工況受力分析結(jié)果如表1所示。

2.2.2 有限元分析模型的建立

材料屬性

轉(zhuǎn)向節(jié)銷材料為40Cr，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置其材料參數(shù)，此分析只進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化對(duì)比，因此材料只設(shè)置線性特征，見表2：

如表4所示，在三種不同工況下，主銷的芯部的安全系數(shù)大于2，距離表面深度約7mm應(yīng)力達(dá)到441MPa，距離表面深度約3mm應(yīng)力達(dá)到785MPa。由此可看出，節(jié)銷表面受力高于心部，正火后硬度可以滿足應(yīng)力要求，且受力集中于距表面0～3mm范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向節(jié)銷中頻工藝即可滿足表面受力要求。

3 轉(zhuǎn)向節(jié)銷熱處理分析

3.1 機(jī)械性能試驗(yàn)

分別測(cè)試正火狀態(tài)及調(diào)質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)向節(jié)銷的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，對(duì)比如表5。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，調(diào)質(zhì)后抗拉強(qiáng)度提高16%，屈服強(qiáng)度提高41%。正火后的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度可以滿足在不同工況的應(yīng)力要求。

3.2 疲勞試驗(yàn)

在前橋疲勞試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)工裝，根據(jù)《車輛產(chǎn)品前軸總成技術(shù)條件Q/FT A035-2004》、《前軸疲勞壽命試驗(yàn)方法按QC/T513-1999》、《前軸垂直彎曲疲勞壽命按QC/T483-1999》、《前軸剛度試驗(yàn)方法按QC/T494-1999》等標(biāo)準(zhǔn)的要求，按前橋載荷進(jìn)行加載，模擬節(jié)銷單向受力進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

單向加載經(jīng)過77萬次疲勞試驗(yàn)后，調(diào)質(zhì)與正火節(jié)銷均在襯套及工裝連接處產(chǎn)生壓痕，壓痕情況無差異，均未產(chǎn)生磨損與變形。

4 結(jié)語

基于上述不同方案有限元分析及試驗(yàn)分析對(duì)比，轉(zhuǎn)向節(jié)銷采用正火工藝替代調(diào)質(zhì)工藝，不僅避免淬火應(yīng)力引起的脆裂，而且能使主銷獲得“表硬心韌”的性能，既耐磨，又能抗沖擊和疲勞，達(dá)到提高其使用壽命的目的。

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