汽車轉向節主銷熱處理工藝探索

楊慶　李晶　毛鵬鵬　王永軍　趙艷麗　解娜

摘 要：本文對轉向節主銷的工作原理及技術要求進行綜述，通過有限元分析及試驗分析等方法對轉向節銷受力進行分析，改進熱處理工藝，達到提升產品質量的目的。

關鍵詞：轉向節銷 熱處理 有限元

Exploration on the Heat Treatment Process of the King Pin of Automobile Steering Knuckle

Yang Qing，Li Jing，Mao Pengpeng，Wang Yongjun，Zhao Yanli，Xie Na

Abstract：This article summarizes the working principle and technical requirements of the steering knuckle pin， analyzes the force of the steering knuckle pin through finite element analysis and experimental analysis， and improves the heat treatment process to achieve the purpose of improving product quality.

Key words：steering knuckle pin， heat treatment， finite element

1 引言

轉向節主銷是汽車轉向系統的關鍵零件，轉向節上銷孔的兩耳通過主銷與前軸兩端的拳頭部分相連，使前輪可以繞主銷偏轉一定角度而使汽車轉向。為了減小磨損，轉向節銷孔內壓人襯套。轉向節銷除了承受一定的載荷外還要求有靈活的轉向性能。由于大型重載汽車的工作條件復雜惡劣，長期運行在工地、礦上等工況環境，頻繁的啟動、轉彎、顛簸、急剎車等，使轉向節主銷長期承受沖擊載荷作用。而重載汽車運行中轉向節主銷損壞將會使汽車失去平衡和方向控制，其后果嚴重甚至會造成翻車或車毀人亡事故的發生。所以轉向節主銷是大型重載汽車的安保件。

轉向節銷通常采用40Cr或20CrMoTi等合金鋼，也有使用45號鋼，40Cr 鋼屬于亞共析鋼，緩冷至室溫后的顯微組織為鐵素體加珠光體，含有較少的合金元素，屬于低淬透性合金調質鋼，經適當熱處理后具有較高的強度、良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學性能，常用于制造汽車的連桿、螺栓、傳動軸及機床主軸等機械零件。轉向節銷熱處理工藝為調質處后滲碳淬火處理再低溫回火或者調質處理后中頻淬火+低溫回火。由于鋼經淬火后得到的馬氏體組織硬而脆，并且在工件內部存在很大的內應力，如果直接進行磨削加工則往往會出現龜裂，節銷在使用過程中將會引起尺寸變化從而失去精度，甚至開裂。因此，對轉向節銷失效分析，大多是從研究淬火開裂原因尋求相應的解決辦法。用常規方法淬冷（機油、柴油冷卻）后，仍不能滿足設計要求，改用其他淬火液淬火并調整相應的熱處理工藝參數，在滿足設計要求的前提下，可有效解決常規油淬時出現硬度不足的問題。

轉向節銷連接主軸和轉向節，基本無疲勞，受力主要為急剎時，轉向節對節銷的剪切力。表面中頻提高表面耐磨性及抗剪切力，心部調質目的是提高抗彎性能，節銷在主軸及轉向節作用下產生彎曲的可能性很小，因此本文提出是否可以用正火工藝替代調質工藝，可避免調質處理產生的淬火裂紋，降低節銷的開裂傾向。

本文根據40Cr鋼轉向節銷實際熱處理工藝，分三種工況對其進行分析其受力，并進行模擬疲勞試驗，具體分析如下。

2 轉向節銷受力分析

2.1 幾何信息

根據有限元分析設置邊界條件的需要，對所有轉向節銷外表面進行劃分，分別為與轉向節連接的兩個面，與前軸連接和與推力軸承連接的面，方便添加載荷。如圖1所示。

2.2 節銷在前橋中的受力分析

2.2.1 在三種不同工況中受力分析

（1）制動工況，見圖2。

（2）側滑工況，見圖3。

（3）動載工況，見圖4。

以上三種工況受力分析結果如表1所示。

2.2.2 有限元分析模型的建立

材料屬性

轉向節銷材料為40Cr，根據標準設置其材料參數，此分析只進行結構應力變化對比，因此材料只設置線性特征，見表2：

如表4所示，在三種不同工況下，主銷的芯部的安全系數大于2，距離表面深度約7mm應力達到441MPa，距離表面深度約3mm應力達到785MPa。由此可看出，節銷表面受力高于心部，正火后硬度可以滿足應力要求，且受力集中于距表面0～3mm范圍內，轉向節銷中頻工藝即可滿足表面受力要求。

3 轉向節銷熱處理分析

3.1 機械性能試驗

分別測試正火狀態及調質狀態轉向節銷的抗拉強度及屈服強度，對比如表5。

從實驗結果來看，調質后抗拉強度提高16%，屈服強度提高41%。正火后的抗拉強度及屈服強度可以滿足在不同工況的應力要求。

3.2 疲勞試驗

在前橋疲勞試驗機，設計工裝，根據《車輛產品前軸總成技術條件Q/FT A035-2004》、《前軸疲勞壽命試驗方法按QC/T513-1999》、《前軸垂直彎曲疲勞壽命按QC/T483-1999》、《前軸剛度試驗方法按QC/T494-1999》等標準的要求，按前橋載荷進行加載，模擬節銷單向受力進行試驗，試驗結果如下：

3.2.1 試驗結果分析

單向加載經過77萬次疲勞試驗后，調質與正火節銷均在襯套及工裝連接處產生壓痕，壓痕情況無差異，均未產生磨損與變形。

4 結語

基于上述不同方案有限元分析及試驗分析對比，轉向節銷采用正火工藝替代調質工藝，不僅避免淬火應力引起的脆裂，而且能使主銷獲得“表硬心韌”的性能，既耐磨，又能抗沖擊和疲勞，達到提高其使用壽命的目的。

參考文獻：

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