徐圓　戴凱寧　王華君　張佳虹

摘 要：轉向節(jié)是汽車底盤上的一個重要零件，承受著復雜多變的沖擊載荷。汽車在試驗場1萬里左右前發(fā)生開裂。經(jīng)過對轉向節(jié)材質、匹配尺寸的檢測、對標同類型轉向節(jié)壁厚設計，故障復現(xiàn)，有效的鎖定開裂的原因以及對產(chǎn)品設計進行改進提升，滿足車輛使用要求。

關鍵詞：轉向節(jié) 開裂 分析

Analysis of automobile steering knuckle cracking

Xu Yuan，Dai Kaining，Wang Huajun，Zhang Jiahong

Abstract：Steering knuckle is an important part of automobile chassis， which bears complex and changeable impact load. The car cracked about 10000 miles before the test site. After testing the material and matching size of the steering knuckle， benchmarking the wall thickness design of the same type of steering knuckle， fault recurrence， effective reasons for locking cracking and improving the product design， the requirements of vehicle use are met.

Key words：steering knuckle; crack; analysis

1 引言

轉向節(jié)在汽車行駛過程中要承受復雜多變的沖擊載荷，工況復雜，因轉向節(jié)斷裂造成的事故在市場上常有報道。因此，轉向節(jié)耐沖擊是轉向節(jié)開發(fā)過程中的重點驗證項，同時隨著汽車輕量化的發(fā)展，轉向節(jié)輕量化要求越來越高，主機廠對轉向節(jié)要求更加嚴苛。

2 問題描述

某項目A在鹽城試驗場進行車輛綜合路試評價，車輛編號為11號車，在行駛里程17214Km時，右件下擺臂球頭孔出現(xiàn)裂紋，故障件批次為7B01，如圖1所示。

3 問題解決

3.1 轉向節(jié)實物質量分析

對于問題分析，首選要確認實物質量是否滿足圖紙要求。乘用車制動系統(tǒng)中轉向節(jié)一般為鑄件、鍛件為主，本次設計選用鑄件模式，材料牌號為QT450-10，在斷裂處進行本體取樣，檢測結果如表1。

參考實車裝配，對轉向節(jié)與球頭的匹配尺寸按照圖紙要求進行檢測分析，測量結果如表2，除①號尺寸因配合后受力漲大，不做評價，其余均滿足圖紙設計要求。

3.2 轉向節(jié)壁厚設計分析

完成轉向節(jié)機械性能分析以及匹配尺寸檢測，未發(fā)現(xiàn)轉向節(jié)的質量問題，則需從產(chǎn)品的本身設計出發(fā)，對標同類型的車型、同類型的轉向節(jié)產(chǎn)品，研究轉向節(jié)壁厚的合理性，對比表3如下。通過對比數(shù)據(jù)，在同類型載荷的車輛下轉向節(jié)大部分采用7min（mm）壁厚，初步懷疑轉向節(jié)壁厚存在風險。

在轉向節(jié)結構不變的情況下，采用CAE分析技術進行應力分析，選取材料彈性模量169Gpa，泊松比0.257，密度7060kg/mm3，抗拉強度450Mpa，屈服強度310Mpa。在不同的擰緊力矩下的CAE分析數(shù)據(jù)如圖2，從圖2中可以看出當擰緊扭矩為100N.m，CAE分析轉向節(jié)球銷最大應力超出材料屈服強度（≥310MPa），存在變形以及開裂風險，建議加強壁厚，或者減小擰緊力矩。對實車裝配扭矩進行階梯下降，其最大應力也不斷降低，直至球銷處理論擰緊力矩應在80.5N·m。

為了驗證在超出額定扭矩下，采用球頭錐孔下沉深度進行驗證，當轉向節(jié)在267.5N.m的時候鎖緊，出現(xiàn)了球頭螺紋高出螺母3牙，并產(chǎn)生裂紋，開裂部位形態(tài)與故障件相似，與CAE分析結果也相吻合。

3.3 試驗更改及驗證

經(jīng)過對轉向節(jié)尺寸、材質等分析，符合圖紙要求，通過對相關件的排除，力矩、匹配尺寸等對標，通過調整轉向節(jié)的材質以及更改其匹配尺寸，提高其材料屈服強度，主要更改表4。理論分析優(yōu)化方案在同樣的扭力下，應力減少15.3%，變形減少22.2%。在球頭銷孔邊緣部門的局部最大應力為326.92Mpa，低于材料的最達的屈服強度。

為了對比優(yōu)化前后實物的對產(chǎn)品性能的影響，尤其是與球頭銷配合處的影響，采用“鎖緊力矩與球頭錐孔下沉深度”的驗證，選用開裂件同批次（7B01）的轉向節(jié)與優(yōu)化方案后的轉向節(jié)（批次號7J01）進行對比，首先檢測其理化性能，如表5，在理化性能都滿足要求的前提下，進行對比，對比數(shù)據(jù)如表6。各階段鎖緊力矩下，球頭錐孔下沉量7B01高于7J01，說明此次更改的性能是有效的。

4 結語

基于對標同類車型數(shù)據(jù)，進行仿真分析，優(yōu)化產(chǎn)品結構，提高產(chǎn)品的理化性能以及配合尺寸，并通過實物驗證，合理控制裝配過程中的擰緊力矩以及裝配方法。

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