汽車轉向限位系統失效分析及優化

曹亞東

摘 要：汽車轉向系統是影響整車安全性的關鍵系統。文章通過運用因果分析圖、設計校核計算等方法，分析某汽車轉向限位系統失效的主要原因，通過優化，經試驗驗證效果良好。

關鍵詞：轉向限位系統；因果分析法；設計校核

中圖分類號：U463.4 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）17-203-03

Abstract： Vehicle steering system is the key system that affects vehicle safety. In this paper， the main reasons of the failure of a car's steering limit system are analyzed by using the method of causality analysis and design， and the results of the test are proved to be good by the experiment.

Keywords： Steering limit system； Causality analysis； Design and check

CLC NO.： U463.4 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-203-03

前言

轉向限位系統是確保汽車行駛過程中轉向安全的重要組成部分。主要類型可分為車輪限位、車架限位、液壓限位。此文被研究汽車屬于車輪限位，其工作原理是通過安裝在轉向節上的限位螺栓限制車輪的最大內外轉向角度，從而確保車輛行駛過程中的安全性。若該系統出現失效，將會對車輛的安全性能造成重大風險。

1 失效模式

某汽車轉向限位屬于車輪限位，進行20次極限轉向操作后，經目測檢查轉向限位螺栓發生明顯彎曲變形，造成轉向限位系統失效，如圖1所示。

2 原因分析

車輪限位屬于被動限位，且限位沖擊力僅由一根限位螺栓來承受，當受到大轉角沖擊時，如果限位螺栓存在質量問題，設計匹配不合理，均有可能導致限位螺栓在短工作周期內出現彎曲變形現象。根據轉向系統組成和因果分析圖，從人、機、料、法、環、測六個方面對限位螺栓彎曲變形的可能原因進行分析，如圖2和圖3所示：

通過以上分析，導致限位螺栓彎曲變形的原因如下：

1）限位螺栓產品質量問題

2）動轉泵輸出壓力異常

3）動轉泵匹配設計不合理

4）限位螺栓設計不合理

2.1 限位螺栓檢測

2.1.1 尺寸及硬度檢測

該螺栓型號為：3001109G5QZ，規格為：M12*1.25-6H，檢測結果如表1：

根據以上檢測結果，螺栓的尺寸和硬度均符合設計要求。

2.1.2 化學成分檢測

該螺栓的材料為40Cr，對其化學成分進行檢測，檢測結果如表2：

根據表1和表2檢測結果，均符合設計要求，螺栓本身沒有產品質量問題，屬于合格產品。限位螺栓質量不是造成變形的主要原因。

2.2 動轉泵壓力檢測及匹配校核

限位螺栓的受力來源于動轉泵產生的工作壓力，動轉泵壓力是否正常和匹配合理性直接影響是否變形。該車匹配的動轉泵型號為G0100-3407100A（玉柴），并有明確的輸出壓力標準，經檢測，符合設計標準，具體如表3：

經校核，動轉泵與方向機的流量差及壓力差均在±10%以內，符合設計標準，動轉泵壓力匹配合理，具體如表4。

2.3 限位螺栓受力及安全系數設計分析

通過建立轉向限位系統數模，根據設計要求，校核出限位螺栓理論受力角度，最終校核的角度：螺栓受力角為11°，如圖4：

針對數模校核的受力角度，進行螺栓的受力安全系數計算：

具體計算過程：

1）受力=轉向節力矩×1000/螺栓力臂= 28214；

2）受力面積=π×（0.5×螺紋最小直徑）2 = 8.4557×10-5

3）壓力=受力×10-6/受力面積 = 333.7

4）抗彎截面模量=（π×螺紋最小直徑4）/64 =5.69×10-10

5）彎矩=0.03×受力×tan（受力角度×π/180） = 164.5

6）彎曲應力=彎矩×螺紋最小直徑×0.5×10-6/抗彎截面模量 = 1500.2

7）應力和=彎曲應力+壓力 =1833.9

8）安全系數=材料屈服強度/應力和 = 0.43

通過計算校核發現限位螺栓設計的安全系數僅為0.43，未達到標準值（安全系數≥1）。

2.4 螺栓彎曲變形原因確認

由此可以得出最終結論，限位螺栓彎曲變形的主要原因：限位螺栓受力角度設計不合理。

3 優化方案及效果驗證

針對分析螺栓變形的主要原因，進行設計優化：

1）調整螺栓受力角度，由原11°改為3°，達到安全系數標準值。

2）優化限位螺栓，規格由原M12*1.5改為M14*1.5，螺栓頭部由圓頭改為平頭。

通過對更換新限位螺栓的車輛并進行極限轉向試驗驗證，經驗證優化后的螺栓未出現彎曲變形現象，通過驗證整改有效。具體見圖9：

4 結論

經過對轉向限位系統的了解，運用因果分析圖、建模并進行校核和計算分析，有效分析出限位螺栓的受力角度設計不合理是造成轉向系統失效的主要原因，并通過設計優化和試驗驗證，有效解決了轉向限位失效問題。

參考文獻

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