轉(zhuǎn)向泵傳動(dòng)軸斷故障分析

（同濟(jì)大學(xué)，上海）

轉(zhuǎn)向泵傳動(dòng)軸斷故障分析

敖萍萍

（同濟(jì)大學(xué)，上海）

對(duì)客車(chē)在使用過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵傳動(dòng)軸斷故障進(jìn)行了分析，指出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒(méi)有穩(wěn)流卸壓裝置是導(dǎo)致其斷軸的主要原因。在分析導(dǎo)致斷軸的各種可能原因的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)措施。

轉(zhuǎn)向油泵 穩(wěn)流泄壓 斷軸

1 前言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向泵是汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的動(dòng)力源，是一個(gè)關(guān)鍵部件，它的性能及可靠性關(guān)系到能否準(zhǔn)確、輕便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和保證行車(chē)安全。

2 故障現(xiàn)象

某公交公司在2009年出現(xiàn)了6臺(tái)轉(zhuǎn)向泵斷軸故障，引起上柴公司的高度重視。該泵直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從斷軸的轉(zhuǎn)向泵故障件看，該軸屬于疲勞斷裂，且轉(zhuǎn)向泵傳動(dòng)軸銅套普遍出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。圖1為斷軸的轉(zhuǎn)向泵拆檢情況，以及斷軸端面照片。

出現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵斷軸的可能原因有如下幾點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)向泵本身的質(zhì)量問(wèn)題，軸的強(qiáng)度不夠或者加工有尖角導(dǎo)致應(yīng)力集中；（2）軸受到的外力超過(guò)其疲勞極限。

該轉(zhuǎn)向泵為成熟產(chǎn)品，已在市場(chǎng)上連續(xù)多年大批量使用。該市場(chǎng)使用轉(zhuǎn)向泵從2008年起報(bào)修方向重比較多，2008年年底曾針對(duì)轉(zhuǎn)向泵軸向漏油導(dǎo)致方向重故障率高作過(guò)質(zhì)量改進(jìn)，主要提高油封耐高溫性能（即油封在高溫下不變形，仍能起到密封作用），該改進(jìn)措施實(shí)施后市場(chǎng)上軸向漏油導(dǎo)致的方向重報(bào)修明顯降低，其他未作任何變動(dòng)。

圖1 轉(zhuǎn)向泵故障圖

3 故障分析過(guò)程

先查轉(zhuǎn)向泵本身是否有質(zhì)量問(wèn)題：分別送檢2007年5月和12月，以及2008年12月未斷軸轉(zhuǎn)向泵傳動(dòng)軸以及斷軸轉(zhuǎn)向泵傳動(dòng)軸同部位做金相分析，抽查結(jié)果顯示所斷軸圓角處滲碳層和其他幾個(gè)未斷軸的圓角處的一致；測(cè)試斷面層硬度，結(jié)果顯示幾個(gè)軸各層面硬度比圖紙要求略低，但基本一致，先排除軸本身強(qiáng)度變化可能引起多個(gè)斷軸出現(xiàn)的可能。

再查傳動(dòng)軸過(guò)渡圓角加工是否存在問(wèn)題，放大故障件發(fā)現(xiàn)，該圓角加工的確不符合圖紙要求，但該道工序已經(jīng)是改進(jìn)過(guò)的，改進(jìn)之前加工該處還存在尖角也未曾出現(xiàn)斷軸故障現(xiàn)象，且斷口具有明顯的多源扭轉(zhuǎn)斷裂特征，排除應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向泵過(guò)渡圓角放大圖

另外同類(lèi)型的轉(zhuǎn)向泵在其他市場(chǎng)使用也未出現(xiàn)如此集中的斷軸報(bào)修，先排除泵本身質(zhì)量原因引起的同時(shí)批量斷軸。

為查明轉(zhuǎn)向泵在整車(chē)匹配方面是否存在問(wèn)題，走訪反映出現(xiàn)斷軸的公交公司。經(jīng)了解，該車(chē)型液壓系統(tǒng)多年保持不變，唯一變動(dòng)就是方向機(jī)于2008年始進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化。

照此推理，若是由于方向機(jī)改動(dòng)引起的，那應(yīng)該從2008年開(kāi)始就會(huì)出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象，實(shí)際情況是到2009年才出現(xiàn)。此外應(yīng)查明國(guó)產(chǎn)化方向機(jī)和進(jìn)口方向機(jī)之間的主要區(qū)別，并判斷這是否為造成斷軸的根本原因。

通過(guò)對(duì)比分析國(guó)產(chǎn)方向機(jī)及進(jìn)口方向機(jī)，發(fā)現(xiàn)如下最大差別是，進(jìn)口方向機(jī)有穩(wěn)流卸壓裝置，而國(guó)產(chǎn)方向機(jī)則沒(méi)有。

4 轉(zhuǎn)向泵斷軸原因分析及驗(yàn)證

當(dāng)轉(zhuǎn)向泵工作時(shí)，流量控制閥中的滑閥有一定開(kāi)度，使流量達(dá)到規(guī)定要求，多余油液溢出，回到泵的進(jìn)油腔內(nèi)，即使泵的轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，泵的輸出流量也不會(huì)因此而增加，防止汽車(chē)高速行駛時(shí)方向盤(pán)發(fā)飄。當(dāng)由于某種原因使動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力超過(guò)泵的最高工作壓力時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全閥打開(kāi)，全部油液溢流，對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

由于原先匹配該整機(jī)時(shí)考慮到整車(chē)的液壓系統(tǒng)已有穩(wěn)流卸壓裝置，因此沒(méi)有選用帶有卸壓閥的轉(zhuǎn)向泵。2008年選用的國(guó)產(chǎn)化方向機(jī)沒(méi)有穩(wěn)流卸壓裝置，此時(shí)轉(zhuǎn)向泵繼續(xù)使用原先無(wú)卸壓裝置的轉(zhuǎn)向泵，整個(gè)液壓系統(tǒng)沒(méi)有了穩(wěn)流卸壓功能，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵的工作壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，二者區(qū)別如圖3所示。

圖3 進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)方向機(jī)對(duì)比

由于該轉(zhuǎn)向泵直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，轉(zhuǎn)向泵的（齒輪泵結(jié)構(gòu)）流量增加。

式中，

Q——轉(zhuǎn)向泵流量；

C——流量系數(shù)；

A——滑閥截面積；

△p——油壓差。

由流量方程可知，轉(zhuǎn)向時(shí)，流量Q不斷增加，由于沒(méi)有穩(wěn)流卸壓功能，Δp增大，液壓油被繼續(xù)壓縮，會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗過(guò)多，轉(zhuǎn)向泵機(jī)件磨損增大，并使橡膠油管破裂，油缸密封圈及液壓泵主動(dòng)齒輪軸上的油封損壞。

圖3 轉(zhuǎn)向泵流量與轉(zhuǎn)速關(guān)系

2008年沒(méi)有出現(xiàn)批量斷軸可能和原先的油封材料有關(guān)系。原先油封材料為丁腈橡膠，不耐高溫，當(dāng)液壓油壓力上升時(shí)，溫度同時(shí)升高，造成丁腈橡膠失效，失去密封功能，導(dǎo)致液壓油從軸向卸壓，從而避免了轉(zhuǎn)向泵軸承受過(guò)大的作用力而造成斷軸可能；油封改用氟橡膠后，由于氟橡膠耐高溫性能比丁腈橡膠好，在高溫下能繼續(xù)起到密封作用，使動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力超過(guò)泵的最高工作壓力，引起轉(zhuǎn)向泵軸的斷裂。

為了驗(yàn)證上述的分析，對(duì)液壓系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，在同一輛汽車(chē)上進(jìn)行空載原地轉(zhuǎn)向試驗(yàn)，測(cè)量這2種液壓系統(tǒng)的最高瞬間壓力：無(wú)卸壓功能轉(zhuǎn)向泵，壓力高達(dá)28 MPa，超出25 MPa的極限壓力；而帶有穩(wěn)流卸壓閥的轉(zhuǎn)向泵，進(jìn)行同樣操作，其最高壓力不超過(guò)13 MPa。由此可以做出判斷，轉(zhuǎn)向泵軸斷裂是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒(méi)有卸壓閥，轉(zhuǎn)向泵過(guò)載而造成的。

5 結(jié)論

1）從轉(zhuǎn)向泵本身質(zhì)量、使用環(huán)境等各個(gè)角度，經(jīng)過(guò)金相分析、用戶(hù)走訪以及試驗(yàn)結(jié)果分析判斷，斷軸主要原因是轉(zhuǎn)向泵工作壓力過(guò)高引起。

2）轉(zhuǎn)向泵工作壓力變高是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向機(jī)國(guó)產(chǎn)化后沒(méi)有了穩(wěn)流卸壓功能，而轉(zhuǎn)向泵沒(méi)有相應(yīng)改進(jìn)，整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)泄壓裝置，從而導(dǎo)致壓力偏高，轉(zhuǎn)向泵軸出現(xiàn)疲勞斷裂。另外銅套發(fā)黑和轉(zhuǎn)向泵壓力陡增有很大關(guān)系。

3）2008年的泵傳動(dòng)軸斷裂比較少和漏油有關(guān)，2008年轉(zhuǎn)向泵漏油可以降低泵的工作壓力，減少斷軸現(xiàn)象的發(fā)生。

Analysis on Shaft Fracture of Steering Pump

Ao Pingping
（Tongji University,Shanghai 200093,China）

After analyzing the failure of the shafts of steering pumps used on buses,the main reason leading to broken shaft was found to be that the steering system had no stable flow pressure relieving device.. The solution for the issue based on the analysis on possible failure causes is put forward.

steering pump pressure relief for steady oil flow shaft fracture

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.013

來(lái)稿日期：2011-08-01

敖萍萍（1984－），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)及質(zhì)量改進(jìn)。