轉向中間軸節叉開裂分析及優化

顧佳

摘 要：某管柱電動助力轉向中間軸節叉在扭轉疲勞試驗中發生開裂，通過節叉開裂的失效樹逐一分析開裂原因，分析結果表明：節叉尺寸設計和螺栓擰緊力矩對節叉開裂具有較大影響作用。通過CAE模擬分析找出節叉應力薄弱點優化節叉尺寸。通過螺栓選型和節叉拔出力試驗提升了螺栓防松性能并確定螺栓擰緊力矩的下極限。在節叉夾緊力和節叉強度中找到平衡點。通過兩組耐久試驗驗證確定了節叉優化的有效性。

關鍵詞：轉向中間軸 節叉 開裂

1 前言

管柱電動助力轉向系統因其效率高、成本低、節能環保、安裝方便等優點，被普遍應用于中小型汽車上。其工作原理是，當駕駛員握緊方向盤轉向時，扭矩傳感器接收到駕駛員的手力矩，轉動方向和轉動速度，傳感器把這些參數傳輸到ECU， ECU根據車速，駕駛模式等進行分析處理，指揮電機輸出助力，助力經過蝸桿蝸輪放大，通過中間軸傳遞到機械轉向機上。因此管柱電動助力轉向的中間軸在工作中承受了非常大的助力扭矩［1］。中間軸系統由管柱端萬向節總成（B點），滑動副總成，密封蓋，轉向器端萬向節總成（C點）等組成[2]。對于管柱電動助力轉向系統中間軸，對其強度，耐久性和可靠性提出了非常高的要求。

2 問題描述

某款管柱電動助力轉向管柱，經計算中間軸的最大工作扭矩為100Nm。按100Nm進行的扭轉耐久過程中，組1，2，3都發生了B點外節叉開裂情況，如圖1所示，試驗終止。試驗匯總結果如表1所示。后未進行中間軸旋轉耐久試驗。

3 節叉開裂分析

針對開裂節叉進行了斷口分析，綜合宏觀和微觀相貌，斷口呈多源疲勞斷裂特征。通過中間軸DFMEA中的失效模式和頭腦風暴法，匯總了中間軸節叉疲勞開裂的失效樹如圖2所示，通過對失效樹中的各個選項逐一排查，確認節叉開裂失效原因和優化方案。

4 試驗條件

4.1 試驗參數設置

中間軸扭轉耐久試驗的輸入參數有試驗扭矩，加載頻率，循環數和試驗臺架的空間布置。經查以上幾點都按照要求進行。中間軸按照整車安裝角度固定在疲勞試驗臺上，上節叉（B點）使用對應的管柱輸出軸固定于伺服驅動，下節叉（C點）使用轉向機對應的輸入軸固定[3]。試驗輸入扭矩加載端是B端，這和中間軸在整車上的實際應用情況相一致。扭矩通過B端，經過中間軸滑移段，最后到C端。由于中間軸滑移段具有一定吸收降低振動的功能，所以扭矩傳遞到C端會平緩一些，這與試驗結果B點節叉開裂相，C點節叉無開裂相吻合。

4.2 試驗夾具狀況

中間軸扭轉試驗的B，C端夾具經檢測尺寸合格，試驗后無嚴重磨損。

5 節叉設計

5.1 節叉花鍵設計

B點節叉花鍵對手件為客戶制指定設計尺，花鍵設計按理論最小間隙0.01mm。B點節叉花鍵經止通規檢測合格。

5.2 節叉結構尺寸設計

對B點節叉進行尺寸檢測，結果合格。對B點節叉進行CAE模擬受力分析，在模擬由于螺栓擰緊產生加載夾緊力37.5KN的情況下，對節叉施加一定Nm扭矩，可以看到節叉的應力分布圖，應力最大的地方位于節叉腳開槽末端。這與節叉開裂部位相吻合。由于節叉斷裂處截面受限于裝配工裝的影響無法加厚加寬。尺寸上唯一能做調整的就是開槽的尺寸。我們就開槽尺寸及形狀做了如下的兩種優化方案，并且進行了CAE模擬受力分析對比，如圖3顯示可以看出，經過尺寸優化后的節叉加載一定扭矩后原開裂處的應力大幅降低。

5.3 節叉熱處理設計

節叉毛胚是熱鍛成型材料為S45C.為保證一定強度和韌性，經過調制處理。硬度要求為HV220-280.斷裂節叉金相檢測顯示斷口附近未見異常夾雜物，裂紋源處組織為回火索氏體和少量半網狀鐵素體，基體組織和擴展區組織為回火索氏體，硬度檢測HV256，符合要求。

6 連接螺栓

6.1 螺栓選型

連接螺栓根據客戶要求，選用規格為M10*1.25 6H。主要尺寸經檢測尺寸合格。當螺栓連接連接作用表面，施加一定的擰緊力矩，不同的摩擦因數分配到螺紋副，螺紋端面和夾緊力三部分的消耗功不同，一般情況，螺紋端面摩擦占50%，螺紋副摩擦占40%，10%扭矩轉化為夾緊力，摩擦因數與夾緊力成反比[4]。由之前節叉CAE受力分析表明降低節叉夾緊力可以減少開裂面應力。所以優化選用了端面帶筋的防松螺栓代替普通螺栓如圖4，由于帶筋面的摩擦因數較大，同樣的擰緊力矩，螺紋端面的摩擦力矩消耗較大，同時端面帶筋螺栓的防松脫能力更強。

6.2 螺栓擰緊力矩

客戶定義的擰緊力矩為54-66Nm.如表1所示，66Nm擰緊力矩下B點節叉試驗開裂，54Nm擰緊力矩下B點節叉未開裂。說明螺栓的擰緊力矩對節叉工作時的應力有巨大影響。從CAE仿真也表明，降低節叉斷裂處應力的有效方法之一是降低夾緊力，也就是降低螺栓擰緊力矩。經確認，擰緊力矩的公差可以由+/-6Nm減小到+/-3Nm.但是降低擰緊力矩也會帶來夾緊力不夠耐久后螺栓松動的不利影響。為了便于測量節叉夾緊力，一般我們轉換成測量節叉夾緊花鍵軸后拉脫力。根據經驗，100Nm工作力矩的中間軸節叉拉脫力需要保持在8000N以上。驗證試驗選用優化后的防松螺栓，和優化后的B點節叉。多組不同擰緊力矩的試驗結果如表2所示。試驗結果表明優化后的節叉，配合防松螺栓的最小擰緊力矩為58Nm，節叉拉脫力依然保持在8000N以上。

7 方案試驗驗證

對經過尺寸優化后的B點節叉，配合防松螺栓，B點螺栓的擰緊力矩定為58Nm-64Nm.進行兩項耐久試驗。第一項扭轉耐久試驗考核中間軸強度，B，C點擰緊力矩3組上限1組下限，試驗順利通過，見表3。第二項旋轉耐久試驗用于考核中間軸抗磨損能力。B，C點擰緊力矩三組下限一組上限， 試驗順利通過，見表4。

8 結束語

本文針對某乘用車管柱電動助力中間軸旋轉耐久試驗B點節叉開裂問題，通過斷口分析確定了節叉為疲勞斷裂。通過失效樹對節叉開裂的影響因子進行逐一分析。其中通過CAE分析對節叉的尺寸做了優化，通過理論分析和節叉拔出力試驗，確認了防松螺栓對優化后節叉的最小擰緊力矩。最后對優化后的中間軸軸進行扭轉耐久和旋轉耐久試驗驗證，確認了節叉優化的有效性。

參考文獻：

[1]Manfred H， Peter P. Steering Handbook [M]. Springer，Switzerland，2017，406-407.

[2]關文達，汽車構造（第二版[M]）.北京：清華大學出版社，2009.

[3]田雙鵬. 淺談汽車轉向中間軸臺架試驗設計[J]. 時代汽車2021， 356（5）：98-99.

[4]彭守桃，李平. 汽車輪轂螺母擰緊扭矩分析及質量控制[J]. 汽車零部件2021， 15（2）：50-54.