商用車V型推力桿失效分析

曹 洲，王 印，梁 津，孟令建

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

前言

V型推力桿主要應(yīng)用在非獨(dú)立懸架單橋或雙后橋重型汽車上，其一端與車架鉸接，另一端則與中、后橋相鉸接，一方面?zhèn)鬟f縱向力、橫向力及其相應(yīng)反作用力矩的作用，另一方面也實(shí)現(xiàn)了車架與車橋的定位，在使用過(guò)程中V型推力桿一旦失效，嚴(yán)重影響車輛行駛安全性能[1]。本文針對(duì)某重卡車在開發(fā)過(guò)程中V型推力桿出現(xiàn)橡膠掉落、擠出，進(jìn)而導(dǎo)致V型推力桿失效現(xiàn)象從不同維度進(jìn)行原因分析，并提出改進(jìn)措施，V型推力桿失效如圖1所示。

圖1 V型推力桿失效圖片

1 原因分析

1.1 V型推力桿球鉸結(jié)構(gòu)

V型推力桿球鉸結(jié)構(gòu)包括V型端頭、端蓋、擋圈、橡膠以及球芯，擋圈是防止球絞軸向竄動(dòng)，橡膠部分提供緩沖減振作用，球芯起支撐連接作用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 V型推力桿球鉸結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 V型推力桿可能原因分析

V推失效與橡膠性能、粘接強(qiáng)度、球鉸剛度、疲勞壽命、螺栓連接狀態(tài)以及端蓋強(qiáng)度等相關(guān)，下面針對(duì)上述可能原因進(jìn)行排查，確定V推失效原因，并提出相應(yīng)解決措施。

2 問(wèn)題排查

2.1 橡膠性能檢測(cè)

橡膠性能不合格將直接導(dǎo)致橡膠出現(xiàn)提前磨損、損壞等現(xiàn)象，因此，需首先對(duì)橡膠性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

表1 橡膠性能檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)，橡膠性能滿足要求，不是導(dǎo)致V型推力桿失效原因。

2.2 粘接強(qiáng)度

經(jīng)排查橡膠性能合格，但橡膠與球芯粘接強(qiáng)度是影響橡膠脫落的直接因素之一，對(duì)橡膠與球芯粘接強(qiáng)度檢測(cè)如圖 3所示。

圖3 橡膠與金屬粘接強(qiáng)度臺(tái)架

經(jīng)檢測(cè)金屬與橡膠粘接強(qiáng)度8 MPa，大于要求值4 MPa，其粘接強(qiáng)度滿足要求。

2.3 球鉸剛度

V型推力桿球鉸剛度小，導(dǎo)致橡膠預(yù)壓縮量小，球芯位移大，縮短橡膠壽命，降低V推疲勞壽命，分別對(duì)球鉸軸向、徑向剛度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下。

表2 球鉸剛度檢測(cè)結(jié)果

球鉸軸向、徑向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 疲勞壽命

V型推力桿在徑向加載力±65 kN、正弦波頻率2 Hz工況下進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，V型推力桿運(yùn)行25萬(wàn)次，樣件未產(chǎn)生彎曲、開裂或斷裂現(xiàn)象，橡膠件未產(chǎn)生開裂、擠出現(xiàn)象，其性能滿足要求，V推疲勞壽命滿足要求。

圖4 V型推力桿臺(tái)架試驗(yàn)

2.5 球鉸偏擺角校核

V型推力桿球芯偏擺角不足導(dǎo)致球芯與端蓋剛性接觸，端蓋變形，球芯磨損等問(wèn)題，因此需對(duì)偏擺角進(jìn)行校核，基于CATIA軟件中DMU模塊，建立后懸架和驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析模型。

圖5 DMU分析模型

驅(qū)動(dòng)橋在 3種極限工況下分析 V型推力桿球芯偏擺角度，結(jié)果如下所示。

圖6 球芯偏擺角設(shè)計(jì)值

V型推力桿實(shí)際偏擺角小于設(shè)計(jì)值，滿足要求。

2.6 V型推力桿連接螺栓校核

當(dāng)螺栓強(qiáng)度不足時(shí)，隨著螺栓預(yù)緊力不斷加大，達(dá)到螺栓屈服點(diǎn)時(shí)開始塑性變形，連接部件之間的夾緊力變小甚至不變，再繼續(xù)增加預(yù)緊力其夾緊力逐漸變小直至螺栓產(chǎn)生斷裂[2]；因此，V型推力桿與驅(qū)動(dòng)橋連接螺栓強(qiáng)度不足，將導(dǎo)致螺栓松動(dòng)、斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致V推與橋產(chǎn)生較大沖擊，降低橡膠使用壽命，導(dǎo)致V推失效。

本文主要從設(shè)計(jì)角度對(duì)連接螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核分析。

2.6.1 V型推力桿受力分析

推力桿承受縱向力的頻次比承受側(cè)向力的頻次要多，本文分別在最大驅(qū)動(dòng)工況和最強(qiáng)制動(dòng)工況對(duì)V型推力桿進(jìn)行縱向受力分析[3-5]。為簡(jiǎn)化模型，不考慮推力桿的傾斜角度，推力桿受力模型如下圖所示。

圖7 V型推力桿受力示意圖

2.6.2 驅(qū)動(dòng)工況

在最大驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，V型推力桿受力與車輛行駛方向相反，下推力桿受力向前，輪胎與地面的摩擦力向后，最大驅(qū)動(dòng)工況時(shí)的驅(qū)動(dòng)力可參照該車的發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩、變速器檔速比、路面附著系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算得出。

表4 某車型相關(guān)參數(shù)

根據(jù)力矩平衡得：

將表3數(shù)據(jù)代入公式得：Fa=91 kN。

表3 球鉸剛度檢測(cè)結(jié)果

2.6.3 制動(dòng)工況

在車輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)橋中心作用制動(dòng)力矩后，上推力桿受力向前，下推力桿受力向前，輪胎與地面摩擦力向后。上、下推力桿受力形成的力矩與橋中心形成的力矩平衡，可得：

將表3數(shù)據(jù)代入公式得：Fa=39.1 kN。

2.6.4 螺栓強(qiáng)度校核

V型推力桿與驅(qū)動(dòng)橋支架采用4條M18的螺栓，螺栓材料 40Cr，性能等級(jí) 10.9 級(jí)，其中 σb=1 000 MPa，σs=900 MPa，許用應(yīng)力[σ]=667 MPa。

在最大驅(qū)動(dòng)工況對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核，該工況V型端頭側(cè)螺栓受力為91 kN，單個(gè)螺栓受力為F=22.75 kN，此處螺栓的擰緊力矩為430 N·m。

螺栓所受預(yù)緊力大小為：

式中：F1為預(yù)緊力；T為擰緊力矩；k為扭矩系數(shù)，取0.2；d為螺紋公稱直徑。

螺栓所受總拉力為[6]：

式中：F0為螺栓總拉力；為螺栓相對(duì)剛度系數(shù)，取0.25。

將相關(guān)參數(shù)代入得：F0=125.1 kN，螺栓應(yīng)力為：

螺栓應(yīng)力小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

2.7 端蓋強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)失效V型推力桿現(xiàn)場(chǎng)拆分分析，端蓋發(fā)生變形，同時(shí)，對(duì)標(biāo)相關(guān)重卡車型V推端蓋厚度，端蓋厚度較薄，易發(fā)生變形。

圖8 端蓋變形示意圖

2.8 排查結(jié)論

根據(jù)以上分析，V型推力桿失效對(duì)應(yīng)橡膠性能、粘接強(qiáng)度、疲勞壽命、偏擺角度以及連接螺栓強(qiáng)度均滿足要求，其端蓋發(fā)生變形，強(qiáng)度不足，當(dāng)V型推力桿在極限工況或球銷偏擺較大工況下，端蓋厚度薄，強(qiáng)度不足以應(yīng)對(duì)球銷偏擺時(shí)的沖擊力，端蓋發(fā)生不可恢復(fù)的變形，此時(shí)端蓋與球芯之間的距離變大，導(dǎo)致橡膠與端蓋粘接部位發(fā)生剝離、脫落，球芯不在中心位置，與端蓋距離較小，進(jìn)而導(dǎo)致球芯與端蓋撞擊，進(jìn)一步增大端蓋變形及開裂，最終導(dǎo)致V型推力桿失效。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)V型推力桿因端蓋強(qiáng)度不足導(dǎo)致失效，從三個(gè)方面進(jìn)行整改：

3.1 增加端蓋厚度

3.1.1 球芯與橋連接螺栓孔由4個(gè)改為2個(gè)

對(duì)標(biāo)相關(guān)重卡車型V型推力桿結(jié)構(gòu)，對(duì)球芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，單側(cè)與橋支架連接螺栓孔由兩個(gè)變?yōu)橐粋€(gè)，減小球芯拍扁處寬度，進(jìn)而減小端蓋內(nèi)徑，增加端蓋厚度。

圖9 球芯與橋連接孔整改示意圖

3.1.2 增加端頭尺寸

在布置空間允許的情況下，增加端頭尺寸，在端蓋內(nèi)徑不變的情況下，增加端蓋外徑，達(dá)到增加端蓋厚度，進(jìn)而提高端蓋強(qiáng)度的效果。

圖10 V型端頭整改示意圖

3.2 提升端蓋材料

端蓋厚度保持不變，材料由Q345更改為45#調(diào)質(zhì)，硬度增加減少端蓋變形，強(qiáng)度增加提高疲勞壽命。

3.3 提高球鉸剛度

通過(guò)增大橡膠預(yù)壓縮量達(dá)到增加球鉸剛度的目的，在同樣工況下，球芯位移減小，橡膠變形減小，進(jìn)而增加橡膠壽命達(dá)到增加V推疲勞壽命的目的。

4 結(jié)論

本文針對(duì)V型推力桿橡膠掉落、擠出失效現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)橡膠性能、粘接強(qiáng)度、球鉸剛度、疲勞壽命、連接螺栓強(qiáng)度以及偏擺角度進(jìn)行排查均滿足設(shè)計(jì)要求，V型推力桿失效原因?yàn)槎松w變形、端蓋強(qiáng)度不足，進(jìn)而針對(duì)端蓋強(qiáng)度不足問(wèn)題，從增加端蓋厚度、提升端蓋材料以及提高球鉸剛度三個(gè)方面制定整改措施，解決了V型推力桿失效問(wèn)題，經(jīng)市場(chǎng)用戶使用和10 000 km綜合道路試驗(yàn)驗(yàn)證，V型推力桿狀態(tài)良好，未出現(xiàn)橡膠掉落、擠出現(xiàn)象。