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        轉向中間軸節(jié)叉開裂分析及優(yōu)化

        2023-06-11 15:29:42顧佳
        時代汽車 2023年10期
        關鍵詞:開裂

        顧佳

        摘 要:某管柱電動助力轉向中間軸節(jié)叉在扭轉疲勞試驗中發(fā)生開裂,通過節(jié)叉開裂的失效樹逐一分析開裂原因,分析結果表明:節(jié)叉尺寸設計和螺栓擰緊力矩對節(jié)叉開裂具有較大影響作用。通過CAE模擬分析找出節(jié)叉應力薄弱點優(yōu)化節(jié)叉尺寸。通過螺栓選型和節(jié)叉拔出力試驗提升了螺栓防松性能并確定螺栓擰緊力矩的下極限。在節(jié)叉夾緊力和節(jié)叉強度中找到平衡點。通過兩組耐久試驗驗證確定了節(jié)叉優(yōu)化的有效性。

        關鍵詞:轉向中間軸 節(jié)叉 開裂

        1 前言

        管柱電動助力轉向系統(tǒng)因其效率高、成本低、節(jié)能環(huán)保、安裝方便等優(yōu)點,被普遍應用于中小型汽車上。其工作原理是,當駕駛員握緊方向盤轉向時,扭矩傳感器接收到駕駛員的手力矩,轉動方向和轉動速度,傳感器把這些參數(shù)傳輸?shù)紼CU, ECU根據車速,駕駛模式等進行分析處理,指揮電機輸出助力,助力經過蝸桿蝸輪放大,通過中間軸傳遞到機械轉向機上。因此管柱電動助力轉向的中間軸在工作中承受了非常大的助力扭矩[1]。中間軸系統(tǒng)由管柱端萬向節(jié)總成(B點),滑動副總成,密封蓋,轉向器端萬向節(jié)總成(C點)等組成[2]。對于管柱電動助力轉向系統(tǒng)中間軸,對其強度,耐久性和可靠性提出了非常高的要求。

        2 問題描述

        某款管柱電動助力轉向管柱,經計算中間軸的最大工作扭矩為100Nm。按100Nm進行的扭轉耐久過程中,組1,2,3都發(fā)生了B點外節(jié)叉開裂情況,如圖1所示,試驗終止。試驗匯總結果如表1所示。后未進行中間軸旋轉耐久試驗。

        3 節(jié)叉開裂分析

        針對開裂節(jié)叉進行了斷口分析,綜合宏觀和微觀相貌,斷口呈多源疲勞斷裂特征。通過中間軸DFMEA中的失效模式和頭腦風暴法,匯總了中間軸節(jié)叉疲勞開裂的失效樹如圖2所示,通過對失效樹中的各個選項逐一排查,確認節(jié)叉開裂失效原因和優(yōu)化方案。

        4 試驗條件

        4.1 試驗參數(shù)設置

        中間軸扭轉耐久試驗的輸入參數(shù)有試驗扭矩,加載頻率,循環(huán)數(shù)和試驗臺架的空間布置。經查以上幾點都按照要求進行。中間軸按照整車安裝角度固定在疲勞試驗臺上,上節(jié)叉(B點)使用對應的管柱輸出軸固定于伺服驅動,下節(jié)叉(C點)使用轉向機對應的輸入軸固定[3]。試驗輸入扭矩加載端是B端,這和中間軸在整車上的實際應用情況相一致。扭矩通過B端,經過中間軸滑移段,最后到C端。由于中間軸滑移段具有一定吸收降低振動的功能,所以扭矩傳遞到C端會平緩一些,這與試驗結果B點節(jié)叉開裂相,C點節(jié)叉無開裂相吻合。

        4.2 試驗夾具狀況

        中間軸扭轉試驗的B,C端夾具經檢測尺寸合格,試驗后無嚴重磨損。

        5 節(jié)叉設計

        5.1 節(jié)叉花鍵設計

        B點節(jié)叉花鍵對手件為客戶制指定設計尺,花鍵設計按理論最小間隙0.01mm。B點節(jié)叉花鍵經止通規(guī)檢測合格。

        5.2 節(jié)叉結構尺寸設計

        對B點節(jié)叉進行尺寸檢測,結果合格。對B點節(jié)叉進行CAE模擬受力分析,在模擬由于螺栓擰緊產生加載夾緊力37.5KN的情況下,對節(jié)叉施加一定Nm扭矩,可以看到節(jié)叉的應力分布圖,應力最大的地方位于節(jié)叉腳開槽末端。這與節(jié)叉開裂部位相吻合。由于節(jié)叉斷裂處截面受限于裝配工裝的影響無法加厚加寬。尺寸上唯一能做調整的就是開槽的尺寸。我們就開槽尺寸及形狀做了如下的兩種優(yōu)化方案,并且進行了CAE模擬受力分析對比,如圖3顯示可以看出,經過尺寸優(yōu)化后的節(jié)叉加載一定扭矩后原開裂處的應力大幅降低。

        5.3 節(jié)叉熱處理設計

        節(jié)叉毛胚是熱鍛成型材料為S45C.為保證一定強度和韌性,經過調制處理。硬度要求為HV220-280.斷裂節(jié)叉金相檢測顯示斷口附近未見異常夾雜物,裂紋源處組織為回火索氏體和少量半網狀鐵素體,基體組織和擴展區(qū)組織為回火索氏體,硬度檢測HV256,符合要求。

        6 連接螺栓

        6.1 螺栓選型

        連接螺栓根據客戶要求,選用規(guī)格為M10*1.25 6H。主要尺寸經檢測尺寸合格。當螺栓連接連接作用表面,施加一定的擰緊力矩,不同的摩擦因數(shù)分配到螺紋副,螺紋端面和夾緊力三部分的消耗功不同,一般情況,螺紋端面摩擦占50%,螺紋副摩擦占40%,10%扭矩轉化為夾緊力,摩擦因數(shù)與夾緊力成反比[4]。由之前節(jié)叉CAE受力分析表明降低節(jié)叉夾緊力可以減少開裂面應力。所以優(yōu)化選用了端面帶筋的防松螺栓代替普通螺栓如圖4,由于帶筋面的摩擦因數(shù)較大,同樣的擰緊力矩,螺紋端面的摩擦力矩消耗較大,同時端面帶筋螺栓的防松脫能力更強。

        6.2 螺栓擰緊力矩

        客戶定義的擰緊力矩為54-66Nm.如表1所示,66Nm擰緊力矩下B點節(jié)叉試驗開裂,54Nm擰緊力矩下B點節(jié)叉未開裂。說明螺栓的擰緊力矩對節(jié)叉工作時的應力有巨大影響。從CAE仿真也表明,降低節(jié)叉斷裂處應力的有效方法之一是降低夾緊力,也就是降低螺栓擰緊力矩。經確認,擰緊力矩的公差可以由+/-6Nm減小到+/-3Nm.但是降低擰緊力矩也會帶來夾緊力不夠耐久后螺栓松動的不利影響。為了便于測量節(jié)叉夾緊力,一般我們轉換成測量節(jié)叉夾緊花鍵軸后拉脫力。根據經驗,100Nm工作力矩的中間軸節(jié)叉拉脫力需要保持在8000N以上。驗證試驗選用優(yōu)化后的防松螺栓,和優(yōu)化后的B點節(jié)叉。多組不同擰緊力矩的試驗結果如表2所示。試驗結果表明優(yōu)化后的節(jié)叉,配合防松螺栓的最小擰緊力矩為58Nm,節(jié)叉拉脫力依然保持在8000N以上。

        7 方案試驗驗證

        對經過尺寸優(yōu)化后的B點節(jié)叉,配合防松螺栓,B點螺栓的擰緊力矩定為58Nm-64Nm.進行兩項耐久試驗。第一項扭轉耐久試驗考核中間軸強度,B,C點擰緊力矩3組上限1組下限,試驗順利通過,見表3。第二項旋轉耐久試驗用于考核中間軸抗磨損能力。B,C點擰緊力矩三組下限一組上限, 試驗順利通過,見表4。

        8 結束語

        本文針對某乘用車管柱電動助力中間軸旋轉耐久試驗B點節(jié)叉開裂問題,通過斷口分析確定了節(jié)叉為疲勞斷裂。通過失效樹對節(jié)叉開裂的影響因子進行逐一分析。其中通過CAE分析對節(jié)叉的尺寸做了優(yōu)化,通過理論分析和節(jié)叉拔出力試驗,確認了防松螺栓對優(yōu)化后節(jié)叉的最小擰緊力矩。最后對優(yōu)化后的中間軸軸進行扭轉耐久和旋轉耐久試驗驗證,確認了節(jié)叉優(yōu)化的有效性。

        參考文獻:

        [1]Manfred H, Peter P. Steering Handbook [M]. Springer,Switzerland,2017,406-407.

        [2]關文達,汽車構造(第二版[M]).北京:清華大學出版社,2009.

        [3]田雙鵬. 淺談汽車轉向中間軸臺架試驗設計[J]. 時代汽車2021, 356(5):98-99.

        [4]彭守桃,李平. 汽車輪轂螺母擰緊扭矩分析及質量控制[J]. 汽車零部件2021, 15(2):50-54.

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