汽車轉(zhuǎn)向高壓油管支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邵利偉，趙哲南

(上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺(tái) 264006)

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汽車轉(zhuǎn)向高壓油管支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邵利偉，趙哲南

(上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺(tái) 264006)

摘要：針對(duì)某款車型耐久路試中轉(zhuǎn)向高壓油管支架發(fā)生斷裂失效的情況，分析支架的受力情況，結(jié)合斷面的電鏡分析和CAE分析結(jié)果，確定支架的斷裂原因。利用CAE分析改進(jìn)方案，最終通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：油管支架；應(yīng)力分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；方案驗(yàn)證

0引言

轉(zhuǎn)向油管支架作為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向油管的支撐件，一般使用緊固件固定在車身或發(fā)動(dòng)機(jī)上，如果支架發(fā)生失效，油管將失去支撐，短期內(nèi)會(huì)導(dǎo)致前艙異響，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致管路連接處松脫、管路磨損等嚴(yán)重問題，進(jìn)而影響整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和疲勞壽命[1]。文中介紹了轉(zhuǎn)向高壓油管支架斷裂原因的分析過程，提出改進(jìn)方案并進(jìn)行驗(yàn)證，最終使其滿足整車疲勞壽命要求。

1高壓油管失效形式與結(jié)構(gòu)受力

1.1轉(zhuǎn)向高壓油管支架的破壞形式

轉(zhuǎn)向油管支架是在整車耐久路試約完成91%后出現(xiàn)斷裂，上下兩片支架均完全斷裂，已失去支撐油管的功能，圖1是支架斷裂的狀態(tài)。

1.2結(jié)構(gòu)受力

轉(zhuǎn)向高壓油管的作用是將轉(zhuǎn)向泵產(chǎn)生的高壓轉(zhuǎn)向液傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)中，來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)現(xiàn)助力的功能。油管的裝配方式如圖2所示，轉(zhuǎn)向高壓油管一端連接在發(fā)動(dòng)機(jī)附件轉(zhuǎn)向泵上，另一端連接在副車架附件轉(zhuǎn)向機(jī)上，中間通過油管支架固定在發(fā)動(dòng)機(jī)支架上。

在車輛行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和整車的振動(dòng)會(huì)傳遞到油管上，不規(guī)律的振動(dòng)產(chǎn)生了不規(guī)律的載荷，加載在油管支架上。

2破壞失效形式分析

2.1電鏡分析

電鏡觀察斷口形貌，可見疲勞裂紋(圖3)，據(jù)此可判斷2個(gè)斷口均為疲勞斷口，且從裂紋的擴(kuò)展方向判斷，裂紋均是從轉(zhuǎn)角部位的內(nèi)彎向外彎擴(kuò)展。在支架下片斷面發(fā)現(xiàn)有韌窩，可以判斷這個(gè)區(qū)域?yàn)橹Ъ茏詈髷嗔训膮^(qū)域，據(jù)此判斷支架上片先斷裂、下片后斷裂。

2.2CAE分析

利用ABAQUS軟件搭建CAE模型分析，通過模型的靜態(tài)應(yīng)力分布，得到轉(zhuǎn)向油管支架易于發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域[2]。模型的示意圖見圖5，通過加載Z向加速度載荷，分析支架各部分應(yīng)力分布。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)支架內(nèi)彎轉(zhuǎn)角部位有明顯應(yīng)力集中，應(yīng)力集中位置與電鏡分析的開裂起始位置一致。

2.3支架斷裂原因

綜合電鏡分析和CAE分析結(jié)果，可以判斷支架倒角處的應(yīng)力集中位置在不規(guī)律載荷的長(zhǎng)期作用下，產(chǎn)生疲勞失效。因此，可以通過降低支架內(nèi)彎部位的應(yīng)力集中，來提高支架的疲勞壽命，滿足整車耐久需求。

3轉(zhuǎn)向高壓油管支架優(yōu)化方案分析

應(yīng)力集中位置的上片圓角半徑是0.8 mm，下片的圓角半徑是2 mm，圓角半徑較小。通過CAE分析了幾個(gè)版本的改進(jìn)方案，綜合工藝能力，將上片圓角半徑由0.8 mm改為1.5 mm，下片圓角半徑由2 mm改為3 mm。如圖6所示，優(yōu)化后的支架應(yīng)力集中改善36% ，應(yīng)力分布更加均勻[3]。

4臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

按照?qǐng)D7搭建振動(dòng)臺(tái)架，將更改前后的零件安裝到試驗(yàn)臺(tái)架上，采集發(fā)動(dòng)機(jī)支架的振動(dòng)譜作為激振臺(tái)振動(dòng)源，將支架振動(dòng)到完全斷裂。

試驗(yàn)證實(shí)了裂紋是從支架轉(zhuǎn)角部位的內(nèi)彎向外彎擴(kuò)展，且上片先斷裂、下片后斷裂。改進(jìn)后的樣件疲勞壽命相對(duì)提高66.7%，可以滿足整車壽命要求，見表1。

5結(jié)束語

某車型轉(zhuǎn)向油管支架斷裂的案例中，利用了斷面分析、CAE分析和臺(tái)架試驗(yàn)等方法，完成了疲勞斷裂的失效分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化和方案驗(yàn)證的一系列過程。疲勞斷裂是汽車耐久路試中一類常見的問題，此案例中介紹的思路和方法，改進(jìn)周期短，驗(yàn)證效果好，可以供其他類似的疲勞破壞參考和借鑒。

參考文獻(xiàn):

【1】趙衛(wèi)艷,谷雪松,王可.商用車轉(zhuǎn)向器支架疲勞壽命仿真分析[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,31(1):90-94.

【2】王霄鋒,梁昭,張小格.基于動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)的汽車車輪有限元分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2007,34(1):45-47.

【3】馮偉,王宗彥,鄭江,等.重型卡車轉(zhuǎn)向器支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(2):175-177.

Optimization Design on Bracket of Hydraulic Power Steering Pipe of Automobile

SHAO Liwei，ZHAO Zhenan

(SAIC GM Dongyue Motors Co., Ltd.,Yantai Shandong 264006, China)

Keywords:Pipe bracket; Stress analysis; Design optimization; Result confirm

Abstract:To eliminate failure of the bracket of hydraulic power steering pipe of an automobile in road test, the stress of the bracket was analyzed, combining electron microscope and CAE analysis results, the root cause of bracket broken was found. An optimization design was analyzed by CAE and confirmed by bench test finally.

收稿日期：2016-01-19

作者簡(jiǎn)介：邵利偉，男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)。E-mail:liwei_shao.sgmyt@saic.gm.com。

中圖分類號(hào):U463.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)04-049-03