汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用

高文華，李陽(yáng)

（1.山東黑旋風(fēng)鋸業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271100；2.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用

高文華1，李陽(yáng)2

（1.山東黑旋風(fēng)鋸業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271100；2.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)構(gòu)造中一個(gè)極其重要的部分，它直接影響著汽車(chē)的行駛安全，本文針對(duì)汽車(chē)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系，結(jié)合工程理論和實(shí)際，從摩擦學(xué)的角度對(duì)轉(zhuǎn)向系進(jìn)行了研究分析。分別對(duì)傳動(dòng)軸花鍵、橫直拉桿球頭銷(xiāo)、萬(wàn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向節(jié)這五種重要的摩擦副行為進(jìn)行了研究。

汽車(chē)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；摩擦學(xué)

汽車(chē)在行駛過(guò)程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂汽車(chē)轉(zhuǎn)向。就輪式汽車(chē)而言，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向的方法是，駕駛員通過(guò)一套專(zhuān)設(shè)的機(jī)構(gòu)，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向橋（一般是前橋）上的車(chē)輪（轉(zhuǎn)向輪）相對(duì)于汽車(chē)縱軸線(xiàn)偏轉(zhuǎn)一定角度。在汽車(chē)直線(xiàn)行駛時(shí)，往往轉(zhuǎn)向輪也會(huì)受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用，自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時(shí)，駕駛員也可以利用這套機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反方向偏轉(zhuǎn)，從而使汽車(chē)恢復(fù)原來(lái)的行駛方向。這一套用來(lái)改變或恢復(fù)汽車(chē)行駛方向的專(zhuān)設(shè)機(jī)構(gòu)，即稱(chēng)為汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（俗稱(chēng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系）。因此，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系的功用是保證汽車(chē)能按駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)的行駛安全至關(guān)重要，因此汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件都稱(chēng)為保安件。了解這些保安件之間的摩擦行為并定期做潤(rùn)滑保養(yǎng)就顯得尤為重要。

1 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系的工作原理

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。

圖1所示為機(jī)械轉(zhuǎn)向系的組成和布置示意圖。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)1施加一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸2、轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)3和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸4輸入轉(zhuǎn)向器5。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向搖臂6，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向直拉桿7傳給固定于左轉(zhuǎn)向節(jié)9 上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂8，使左轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的左轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。為使右轉(zhuǎn)向節(jié)13及其支承的右轉(zhuǎn)向輪隨之偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，還設(shè)置了轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向梯形由固定在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)上的梯形臂10、12和兩端與梯形臂作球鉸鏈連接的轉(zhuǎn)向橫拉桿11組成。

從轉(zhuǎn)向盤(pán)到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸這一系列部件和零件屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。由轉(zhuǎn)向搖臂至轉(zhuǎn)向梯形這一系列部件和零件（不含轉(zhuǎn)向節(jié)）均屬于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系的組成和布置示意圖

2 各個(gè)摩擦副之間的摩擦行為

2.1 傳動(dòng)軸滑動(dòng)花鍵連接的摩擦行為

2.1.1 簡(jiǎn)介

車(chē)用轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要部件之一，主要起傳遞駕駛員施加給轉(zhuǎn)向盤(pán)的扭矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向器工作，以達(dá)到控制汽車(chē)行駛方向的作用。它的運(yùn)轉(zhuǎn)正常與否，將直接影響到汽車(chē)的行駛安全。汽車(chē)的傳動(dòng)軸一般由萬(wàn)向節(jié)、軸管和伸縮套組成。如圖2所示，圖2中套管和伸縮套是由滑動(dòng)花鍵連接的。由于要保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在工作時(shí)不能有較大的空行程，保證駕駛機(jī)動(dòng)性，花鍵齒側(cè)應(yīng)保持較小的配合間隙，因此，聯(lián)接花鍵采用“齒側(cè)定心”方式。目前滑動(dòng)花鍵式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的花鍵形式普遍采用矩形花鍵，材料采用中碳鋼。

圖2 傳動(dòng)軸總成

由于汽車(chē)傳動(dòng)軸和花鍵置于底部位置既要承受由車(chē)輪、車(chē)架傳遞過(guò)來(lái)不平路面的沖擊振動(dòng)，又隨時(shí)面臨路面的磕碰和泥沙的侵入，因而加劇了傳動(dòng)軸與花鍵聯(lián)接件的磨損破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明：發(fā)生傳動(dòng)軸故障,因磨損引起的占97．6%，因斷裂破壞引起的僅占2．4%，而在傳動(dòng)軸的各零件中尤以花鍵聯(lián)接的磨損破壞故障為最多。因此，欲提高花鍵聯(lián)接的可靠性乃至整機(jī)運(yùn)行的可靠性，就必須分析傳動(dòng)軸花鍵聯(lián)接的磨損現(xiàn)象和磨損機(jī)理，研究與耐磨性有關(guān)的影響因素及它們的內(nèi)在規(guī)律。

2.1.2 傳動(dòng)軸花鍵磨損機(jī)理研究

滑動(dòng)花鍵式車(chē)用轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸在工作時(shí)，聯(lián)接花鍵在承受一定正、反轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，花鍵軸和花鍵套為適應(yīng)車(chē)體的振動(dòng)，還要進(jìn)行相對(duì)往復(fù)滑動(dòng)，花鍵齒側(cè)要受到一定往復(fù)頻率的沿軸向的摩擦力。再加上動(dòng)力傳遞過(guò)程中的瞬時(shí)沖擊，其主要的磨損機(jī)理是粘著磨損。當(dāng)在不好的路況上行駛時(shí)，灰塵、泥砂等小顆粒會(huì)落入聯(lián)接件中。在花鍵聯(lián)接件的旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)過(guò)程中，這些顆粒使花鍵在承受粘著磨損的同時(shí)又伴隨著磨料磨損。

2.1.3 處理措施

為增加花鍵的耐磨性，花鍵軸和花鍵套均需調(diào)質(zhì)處理，硬度285～321HBS 。并在熱處理后進(jìn)行磨削加工，以減少不平度對(duì)花鍵磨損的影響；除此之外，定期加注含有二硫化鉬型潤(rùn)滑脂，也可以有效改善磨損狀況。

另外，為了更大程度地減少軸向滑動(dòng)力，可以在花鍵聯(lián)接處涂裝一層尼龍11（聚酰胺-11）覆蓋層，它具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，可使振動(dòng)受到阻尼，且使工作面上的載荷更加均勻，因而降低了花鍵聯(lián)接的工作應(yīng)力，也改善了其磨損情況。

2.2 轉(zhuǎn)向拉桿球頭銷(xiāo)與球頭座的摩擦行為

2.2.1 簡(jiǎn)介

在汽車(chē)底盤(pán)的懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)都是空間運(yùn)動(dòng)，為了不發(fā)生干涉，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂三者之間都采用球頭銷(xiāo)。

球頭銷(xiāo)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向拉桿連接部分的一個(gè)重要零件，它與球座組成球面運(yùn)動(dòng)副。能保證汽車(chē)操縱的穩(wěn)定性，行駛的平順性、舒適性、安全性及汽車(chē)正確、準(zhǔn)確的行駛方向，起到支承汽車(chē)重量，傳遞操縱方向力的作用。因此，要求球形支撐表面必須耐磨和適當(dāng)潤(rùn)滑。如果潤(rùn)滑不良，球節(jié)間會(huì)發(fā)生磨損和金屬疲勞，嚴(yán)重時(shí)，直接危害汽車(chē)的行車(chē)安全。圖3為汽車(chē)轉(zhuǎn)向直拉桿總成。

圖3 汽車(chē)轉(zhuǎn)向直拉桿總成

2.2.2 球頭銷(xiāo)的磨損機(jī)理分析

球頭可以實(shí)現(xiàn)多方向往復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，球頭銷(xiāo)的球頭與球頭座部件間的接觸壓力很大。既有上下運(yùn)動(dòng)，也有轉(zhuǎn)動(dòng)；既受推力，又有軸向力，還可能產(chǎn)生微動(dòng)。因此，要求球形支撐表面必須耐磨和適當(dāng)潤(rùn)滑。如果潤(rùn)滑不良，球頭與球頭座就會(huì)由混合摩擦變?yōu)楦赡Σ粒瑥亩蚬?jié)間會(huì)發(fā)生粘著磨損和金屬疲勞。

轉(zhuǎn)向拉桿的失效與球頭銷(xiāo)的機(jī)械性能有著密切的關(guān)系。球頭銷(xiāo)工作時(shí)，當(dāng)球頭銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，其軸頸與軸頭碗相接觸并發(fā)生干涉。在極限位置時(shí)，其受力情況如圖4所示。

圖4 球頭銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)受力圖

其中：M點(diǎn)為球頭銷(xiāo)和球頭銷(xiāo)座結(jié)合處，N為球頭銷(xiāo)頸部與頸碗干涉處，F(xiàn)為轉(zhuǎn)向力，當(dāng)球頭銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，與球頭銷(xiāo)碗發(fā)生干涉，經(jīng)過(guò)反復(fù)摩擦導(dǎo)致球頭銷(xiāo)軸頸逐漸出現(xiàn)劃痕，繼而出現(xiàn)應(yīng)力集中、疲勞裂紋現(xiàn)象，甚至可能發(fā)生整體斷裂。

2.2.3 處理措施

現(xiàn)在球頭銷(xiāo)的球頭座與球頭材料多是鋼（20CrMnTi）—塑料（聚甲醛）。一方面可以對(duì)球頭銷(xiāo)采用新材料或者采用先進(jìn)的加工工藝,提高球頭銷(xiāo)的疲勞強(qiáng)度,延長(zhǎng)其使用壽命，比如合理調(diào)節(jié)鐵、碳、鉻、錳、硫、磷、硅等各成分的含量。

另一方面使用正確的潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑，根據(jù)其工況，球頭銷(xiāo)潤(rùn)滑脂由12-羥基硬脂酸鋰皂稠化全合成油并加入優(yōu)質(zhì)抗氧劑、防銹劑、極壓抗磨劑制成，具有優(yōu)異的低溫性能、防銹性和耐磨黏附性能，以及良好的耐高溫性和氧化安定性。

2.3 萬(wàn)向節(jié)的摩擦行為研究

2.3.1 簡(jiǎn)介

萬(wàn)向節(jié)即萬(wàn)向接頭，是實(shí)現(xiàn)變角度動(dòng)力傳遞的機(jī)件，用于需要改變傳動(dòng)軸線(xiàn)方向的位置，它是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的 “關(guān)節(jié)”部件。萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸組合，稱(chēng)為萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)裝置。十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)由萬(wàn)向節(jié)叉、十字軸、滾針軸承、油封、套筒、軸承蓋等件組成，如圖5所示。

圖5 十字軸式萬(wàn)向節(jié)總成

2.3.2 萬(wàn)向節(jié)磨損機(jī)理分析

在工作中，十字軸萬(wàn)向節(jié)會(huì)因傳動(dòng)軸的高轉(zhuǎn)速而承受較大的扭矩和沖擊負(fù)荷，同時(shí)，十字軸和滾針軸承間也承受較大的交變應(yīng)力。通常在使用過(guò)程中，萬(wàn)向節(jié)十字軸上的滾針軸承不是作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是擺動(dòng)。其載荷呈交變的周期變化，在大的交變應(yīng)力作用下，對(duì)潤(rùn)滑脂要求有良好的極壓性。否則，滾針與十字軸頸之間就會(huì)在高壓下處于近似干摩擦狀態(tài)，從而產(chǎn)生粘著磨損。

另外，由于萬(wàn)向節(jié)總成上的滾針軸承在傳動(dòng)軸擺角較小的使用狀態(tài)下，滾針軸承與十字軸軸頸之間反復(fù)地在小角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，當(dāng)十字軸與軸承徑向游隙隨著磨損擴(kuò)大時(shí)，易使產(chǎn)品集中載荷，集中在載荷大的地方就過(guò)早地產(chǎn)生疲勞裂紋，因而發(fā)展成為大面積的疲勞剝落，特別是在十字軸軸頭處，由于應(yīng)力集中影響，其受載部位的倒角幾乎全部被啃掉；同時(shí)觀察到大多數(shù)滾針表面都存在麻點(diǎn)，麻坑和大面積疲勞剝落，甚至造成滾針斷裂，即產(chǎn)生疲勞磨損，如圖6所示。

圖6 滾針的疲勞磨損

2.3.3 處理措施

應(yīng)定期給萬(wàn)向節(jié)加注齒輪油進(jìn)行潤(rùn)滑，因?yàn)辇X輪油具有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）齒輪油具有適當(dāng)?shù)恼扯龋筒恢掠谝螂x心力從接觸面甩掉，并且由于油膜強(qiáng)度較高，能形成良好的彈性動(dòng)壓潤(rùn)滑。

（2）齒輪油具有優(yōu)良的油性和極壓性，能保證在壓力很高的工作條件下，也能建立起邊界潤(rùn)滑膜。

2.4 汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的摩擦行為研究

2.4.1 簡(jiǎn)介

轉(zhuǎn)向器的作用是把來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向角進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q（主要是減速增矩），再輸出給轉(zhuǎn)向拉桿機(jī)構(gòu)，從而使汽車(chē)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向器有多種類(lèi)型，如齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿曲柄指銷(xiāo)式等。

以齒輪齒條式為例，它是一種最常見(jiàn)的轉(zhuǎn)向器。其基本結(jié)構(gòu)是一對(duì)相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條便做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。有時(shí)，靠齒條來(lái)直接帶動(dòng)橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，如圖7所示。

圖7 齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器

2.4.2 轉(zhuǎn)向器磨損機(jī)理分析

汽車(chē)在工作時(shí)，尤其是在不好的路況行駛或者急轉(zhuǎn)彎的情況下，轉(zhuǎn)向器連續(xù)工作，可能會(huì)因溫度升高，破壞潤(rùn)滑油的油膜，從而使齒面金屬直接接觸，并在隨后的相對(duì)滑動(dòng)中，相互粘連的金屬沿著相對(duì)滑動(dòng)方向相互撕扯而出現(xiàn)一條條劃痕。從而產(chǎn)生粘著磨損。

另外，汽車(chē)在反復(fù)轉(zhuǎn)向時(shí)，齒輪還會(huì)受到較大彎曲內(nèi)應(yīng)力，在反復(fù)交變力、齒面摩擦力、循環(huán)接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，在齒面或其表層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生微小的裂紋，這些微裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，相互連接，形成小片并脫落，在齒面上出現(xiàn)細(xì)碎的凹坑或麻點(diǎn)，即產(chǎn)生疲勞磨損。

2.4.3 處理措施

首先在齒輪加工后后進(jìn)行高頻淬火并回火，保證齒部及齒面硬度符合使用要求。另外，要對(duì)轉(zhuǎn)向器定期進(jìn)行人工潤(rùn)滑，并且要選用正確的潤(rùn)滑脂，石墨鈣基潤(rùn)滑脂中的ZG-S潤(rùn)滑脂。

2.5 轉(zhuǎn)向節(jié)的摩擦行為研究

2.5.1 簡(jiǎn)介

轉(zhuǎn)向節(jié)又稱(chēng)“羊角”，是汽車(chē)轉(zhuǎn)向橋中的重要零件之一，能夠使汽車(chē)穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向。轉(zhuǎn)向節(jié)的功用是傳遞并承受汽車(chē)前部載荷，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車(chē)轉(zhuǎn)向。在汽車(chē)行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強(qiáng)度，如圖8所示。

2.5.2 轉(zhuǎn)向節(jié)磨損機(jī)理分析

汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)主要的失效形式就是主銷(xiāo)斷裂，現(xiàn)在汽車(chē)的主銷(xiāo)材質(zhì)多是45號(hào)鋼。隨著汽車(chē)在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、顛簸、急剎車(chē)等多種惡劣工況產(chǎn)生的交變應(yīng)力的作用，轉(zhuǎn)向節(jié)與襯套之間的潤(rùn)滑脂被擠出，造成粘著磨損。

另外轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)長(zhǎng)期承受沖擊載荷作用。載荷忽大忽小，裂紋經(jīng)多次張開(kāi)閉合開(kāi)始擴(kuò)展。而隨著裂紋的擴(kuò)展，主銷(xiāo)的有效截面逐漸減小，當(dāng)接觸應(yīng)力激發(fā)起內(nèi)應(yīng)力超過(guò)有效面積的剪切屈服強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生了斷裂。

2.5.3 處理措施

首先定期在主銷(xiāo)與襯套之間加注黃油進(jìn)行潤(rùn)滑。

另外，如采用45 號(hào)鋼做轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)，應(yīng)先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，淬火介質(zhì)可以采用專(zhuān)用的淬火油，冷卻速度一般在102℃/s，這樣可以避免冷卻速度過(guò)快而開(kāi)裂，得到心部硬度控制在 28～32 HRC 的主銷(xiāo)，使主銷(xiāo)有足夠的強(qiáng)度和韌性；再進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火；最后進(jìn)行低溫回火來(lái)消除熱處理帶來(lái)的殘余應(yīng)力。通過(guò)這一工藝過(guò)程不僅使表面獲得回火馬氏體，保證了表面硬度、硬化層的厚度分別達(dá)到相應(yīng)的要求，提高了耐磨性。

3 結(jié)語(yǔ)

作為汽車(chē)的一個(gè)重要組成部分，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車(chē)主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，研究汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所存在的摩擦學(xué)知識(shí)變得越來(lái)越重要，了解他們之間的磨損并采取正確的措施去處理，始終是各汽車(chē)生產(chǎn)廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要研究課題。

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