轉向泵傳動軸斷故障分析

（同濟大學，上海）

轉向泵傳動軸斷故障分析

敖萍萍

（同濟大學，上海）

對客車在使用過程中出現轉向泵傳動軸斷故障進行了分析，指出轉向系統沒有穩流卸壓裝置是導致其斷軸的主要原因。在分析導致斷軸的各種可能原因的基礎上，提出了改進措施。

轉向油泵 穩流泄壓 斷軸

1 前言

汽車轉向泵是汽車動力轉向系的動力源，是一個關鍵部件，它的性能及可靠性關系到能否準確、輕便地實現轉向和保證行車安全。

2 故障現象

某公交公司在2009年出現了6臺轉向泵斷軸故障，引起上柴公司的高度重視。該泵直接由發動機驅動，從斷軸的轉向泵故障件看，該軸屬于疲勞斷裂，且轉向泵傳動軸銅套普遍出現發黑現象。圖1為斷軸的轉向泵拆檢情況，以及斷軸端面照片。

出現轉向泵斷軸的可能原因有如下幾點：（1）轉向泵本身的質量問題，軸的強度不夠或者加工有尖角導致應力集中；（2）軸受到的外力超過其疲勞極限。

該轉向泵為成熟產品，已在市場上連續多年大批量使用。該市場使用轉向泵從2008年起報修方向重比較多，2008年年底曾針對轉向泵軸向漏油導致方向重故障率高作過質量改進，主要提高油封耐高溫性能（即油封在高溫下不變形，仍能起到密封作用），該改進措施實施后市場上軸向漏油導致的方向重報修明顯降低，其他未作任何變動。

圖1 轉向泵故障圖

3 故障分析過程

先查轉向泵本身是否有質量問題：分別送檢2007年5月和12月，以及2008年12月未斷軸轉向泵傳動軸以及斷軸轉向泵傳動軸同部位做金相分析，抽查結果顯示所斷軸圓角處滲碳層和其他幾個未斷軸的圓角處的一致；測試斷面層硬度，結果顯示幾個軸各層面硬度比圖紙要求略低，但基本一致，先排除軸本身強度變化可能引起多個斷軸出現的可能。

再查傳動軸過渡圓角加工是否存在問題，放大故障件發現，該圓角加工的確不符合圖紙要求，但該道工序已經是改進過的，改進之前加工該處還存在尖角也未曾出現斷軸故障現象，且斷口具有明顯的多源扭轉斷裂特征，排除應力集中導致的斷裂，如圖2所示。

圖2 轉向泵過渡圓角放大圖

另外同類型的轉向泵在其他市場使用也未出現如此集中的斷軸報修，先排除泵本身質量原因引起的同時批量斷軸。

為查明轉向泵在整車匹配方面是否存在問題，走訪反映出現斷軸的公交公司。經了解，該車型液壓系統多年保持不變，唯一變動就是方向機于2008年始進行了國產化。

照此推理，若是由于方向機改動引起的，那應該從2008年開始就會出現斷軸現象，實際情況是到2009年才出現。此外應查明國產化方向機和進口方向機之間的主要區別，并判斷這是否為造成斷軸的根本原因。

通過對比分析國產方向機及進口方向機，發現如下最大差別是，進口方向機有穩流卸壓裝置，而國產方向機則沒有。

4 轉向泵斷軸原因分析及驗證

當轉向泵工作時，流量控制閥中的滑閥有一定開度，使流量達到規定要求，多余油液溢出，回到泵的進油腔內，即使泵的轉速繼續提高，泵的輸出流量也不會因此而增加，防止汽車高速行駛時方向盤發飄。當由于某種原因使動力轉向系統壓力超過泵的最高工作壓力時，轉向系統的安全閥打開，全部油液溢流，對系統起到保護作用。

由于原先匹配該整機時考慮到整車的液壓系統已有穩流卸壓裝置，因此沒有選用帶有卸壓閥的轉向泵。2008年選用的國產化方向機沒有穩流卸壓裝置，此時轉向泵繼續使用原先無卸壓裝置的轉向泵，整個液壓系統沒有了穩流卸壓功能，導致轉向時會出現轉向泵的工作壓力隨著轉速的增加而增加，二者區別如圖3所示。

圖3 進口、國產方向機對比

由于該轉向泵直接由發動機驅動，當發動機轉速升高時，轉向泵的（齒輪泵結構）流量增加。

式中，

Q——轉向泵流量；

C——流量系數；

A——滑閥截面積；

△p——油壓差。

由流量方程可知，轉向時，流量Q不斷增加，由于沒有穩流卸壓功能，Δp增大，液壓油被繼續壓縮，會直接導致發動機功率消耗過多，轉向泵機件磨損增大，并使橡膠油管破裂，油缸密封圈及液壓泵主動齒輪軸上的油封損壞。

圖3 轉向泵流量與轉速關系

2008年沒有出現批量斷軸可能和原先的油封材料有關系。原先油封材料為丁腈橡膠，不耐高溫，當液壓油壓力上升時，溫度同時升高，造成丁腈橡膠失效，失去密封功能，導致液壓油從軸向卸壓，從而避免了轉向泵軸承受過大的作用力而造成斷軸可能；油封改用氟橡膠后，由于氟橡膠耐高溫性能比丁腈橡膠好，在高溫下能繼續起到密封作用，使動力轉向系統壓力超過泵的最高工作壓力，引起轉向泵軸的斷裂。

為了驗證上述的分析，對液壓系統的工作壓力進行對比測試，在同一輛汽車上進行空載原地轉向試驗，測量這2種液壓系統的最高瞬間壓力：無卸壓功能轉向泵，壓力高達28 MPa，超出25 MPa的極限壓力；而帶有穩流卸壓閥的轉向泵，進行同樣操作，其最高壓力不超過13 MPa。由此可以做出判斷，轉向泵軸斷裂是由于轉向系統沒有卸壓閥，轉向泵過載而造成的。

5 結論

1）從轉向泵本身質量、使用環境等各個角度，經過金相分析、用戶走訪以及試驗結果分析判斷，斷軸主要原因是轉向泵工作壓力過高引起。

2）轉向泵工作壓力變高是由于轉向系統中方向機國產化后沒有了穩流卸壓功能，而轉向泵沒有相應改進，整個轉向系統無泄壓裝置，從而導致壓力偏高，轉向泵軸出現疲勞斷裂。另外銅套發黑和轉向泵壓力陡增有很大關系。

3）2008年的泵傳動軸斷裂比較少和漏油有關，2008年轉向泵漏油可以降低泵的工作壓力，減少斷軸現象的發生。

Analysis on Shaft Fracture of Steering Pump

Ao Pingping
（Tongji University,Shanghai 200093,China）

After analyzing the failure of the shafts of steering pumps used on buses,the main reason leading to broken shaft was found to be that the steering system had no stable flow pressure relieving device.. The solution for the issue based on the analysis on possible failure causes is put forward.

steering pump pressure relief for steady oil flow shaft fracture

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.013

來稿日期：2011-08-01

敖萍萍（1984－），女，碩士研究生，主要研究方向為發動機可靠性設計及質量改進。