方向盤鎖擋片失效分析與改進

王化龍，武運寧，朱磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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方向盤鎖擋片失效分析與改進

王化龍，武運寧，朱磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：為了提高方向盤鎖的可靠性，采用質量工具及理化分析方法，找出影響方向盤鎖擋片失效的關鍵因子，對方向盤鎖擋片結構進行改進提升。用CAE分析方向對改善前后的方向盤鎖擋片結構進行了應力分析及驗證，提高了方向盤鎖擋片的強度。

關鍵詞：方向盤鎖擋片；理化分析；疲勞斷裂

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.039

CLC NO.: U467.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-118-03

引言

隨著社會的發展，汽車使用的頻率越來越多，汽車的安全性能、出勤率、生命周期都有了更嚴格的要求，因此需要對汽車進行優化提升來滿足用戶不斷增長的需求。轉向系作汽車上重要的一部分，它的質量直接影響著整車的安全性能。因此對轉向系出現的故障需要深入分析失效原因，從源頭消除安全隱患。

1、問題概述

方向盤鎖作為轉向系的重要組成部分，主要負責起動發動機和控制方向盤轉動的鎖止。方向盤鎖止功能主要通過方向盤鎖上面的鎖止銷軸插入方向盤管柱上鎖止孔實現。點火鑰匙控制方向盤鎖鎖芯的轉動，鎖芯控制擋板的位置，擋板沖壓鑲嵌在軸銷上，見圖1。當車輛啟動時轉動點火鑰匙，鎖芯轉動并帶動擋板和軸銷向上運動，軸銷脫離出轉向管柱上的限位孔，方向盤自由轉動。當點火鑰匙拔出后，鎖芯回到最初的位置，擋板失去鎖芯的約束處于自由狀態。軸銷在彈簧的恢復力的作用下向外運動，插入轉向管柱上的鎖止孔，方向盤方向鎖死。

圖1　方向盤鎖剖面圖

在車輛行駛過程中方向盤鎖死將直接影響行車安全，因此必須盡量避免。其中擋板斷裂（圖2）將直接導致方向鎖死。擋板斷裂時，軸銷在彈簧恢復力的作用下向外運動，在轉動方向盤時插入轉向管柱上的限位孔，方向盤鎖死。因此需要對方向盤鎖擋板斷裂進行改進提升。

圖2　斷裂擋板故障照片

2、失效原因分析

2.1 新件拆解檢查

圖3　軸銷與擋板側視圖

圖4　軸銷與擋板俯視圖

新件的軸銷與擋板拆解側視圖、俯視圖分別為圖3、圖4。因斷裂處為頸部，為了確認方向盤鎖擋板與設計圖紙的符合性，隨機抽取新到貨的方向盤鎖進行狀態確認，圖紙要求擋板與軸銷凹槽過盈配合，且明確軸銷上端面平面度，以確保方向盤鎖總成的可靠性。經拆解測量發現，擋板相關尺寸符合圖紙要求，經顯微鏡觀察分析，擋板頸部在進行折彎和加工加強筋的時候產生了磨損和毛刺，用肉眼很難觀察到有明顯缺陷，初步判斷該處存在應力集中現象，表面已經存在斷裂源。

2.2 舊件失效分析

為了進一步確認失效件的失效原因，對失效件從宏觀檢查、硬度檢查、化學成分、金相檢查四個方面進行分析，具體如下：

（1）宏觀檢查：方向盤鎖總成軸銷與擋板宏觀形貌圖見圖5，擋板斷裂位置處于擋板頸部折彎處，該處有沖壓的加強筋，斷口宏觀形貌見圖6所示。圖6斷面上有3個疲勞源，斷面上半部分起裂于箭頭所示的2個邊角部位，下半部分起裂于箭頭所示的中間部位。裂紋擴展區均呈現明顯的貝紋狀形貌，說明失效模式屬于疲勞斷裂。

圖5　銷軸與斷裂擋板宏觀形貌

圖6　擋板斷口宏觀形貌

（2）硬度檢查：斷裂限位板基體硬度平均為166HV10。

（3）化學成分：

零件的化學成分（質量分數）

（4）金相檢查：

對斷裂限位板進行微觀檢查，基體組織為鐵素體+滲碳體，如圖7所示。

圖7　失效件基體組織 500X

圖8　改進后新狀態擋板結構

通過理化分析可知斷裂擋板的的硬度、化學成分、金像組織符合設計要求，貝紋狀斷口表明擋板斷裂屬于長期使用后發生的疲勞斷裂，說明擋板強度不夠，需要加強。通過對新擋板的外觀檢查分析發現，

結構設計不合理，擋板強度不滿足加工和長期使用要求，擋板頸部在進行折彎和加工加強筋的時候產生了磨損和毛刺，存在應力集中和斷裂源，在使用過程中容易疲勞斷裂失效，存在安全隱患。

3、結構改進并對改進前后結構進行CAE分析

將擋板厚度加厚33%，頸部加寬33%（圖8），整體加強66%，并在兩種極限工況下對改進前后的方向盤鎖擋片進行CAE分析，約束鎖舌底部6個自由度（123456），工況設計及詳細分析結果如下：

圖9　工況設定與受力圖

圖10　疲勞工況設定的受力分析圖

工況一：F1=36.4N，方向與軸銷軸線平行，與軸銷軸線距離11mm；

工況二：F2=3.7N，方向與軸銷軸線一致；

疲勞工況：工況一應力為疲勞分析的上限，工況二應力為疲勞分析的下限（圖9）。

（2）工況一狀態下改進前后的CAE圖如圖11：

圖11　工況一狀態下改進前后的CAE圖

在工況一狀態下改進前舊狀態擋板的應力集中區域為紅色區域，與故障件一致，面積較大，說明應力集中現象嚴重。

通過CAE分析對比結果可知，改進后的應力云圖紅色區域消失，應力集中現象已經消除，擋板的理論疲勞循環次數從9.74×1010次提高至2.89×1016次，疲勞壽命顯著提高，由此可見，方向盤鎖結構改進的效果明顯。

4、結論

對比擋板結構改進前后的結構圖和CAE分析圖，擋板的厚度和頸部寬度分別增加了33%，強度增加了66%，提高了疲勞壽命。并依據QC/T 628-1999開展了方向盤鎖的相關臺架試驗，如強度、耐振性、耐久性試驗等，試驗結果良好，表明方向盤鎖改進效果明顯，產品質量顯著提升。

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-118-03

作者簡介：王化龍，就職于陜西重型汽車有限公司。

Failure analysis and Improvement of Steering wheel lock

Wang Hualong, Wu Yunning, Zhu Lei
( Shaanxi Heavy Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract:In order to improve the reliability of the steering wheel lock, the key factors affecting the failure of the steering wheel lock block are found by using quality tools and physical and chemical analysis methods, and the structure of the steering wheel lock block is improved. The stress analysis and verification of the structure of the steering wheel lock were made by CAE analysis to improve the strength of the steering wheel lock.

Keywords:Steering wheel lock; physical and chemical analysis; fatigue fracture