轉(zhuǎn)向橫拉桿故障分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

楊貝貝

(安聯(lián)(鄭州)工程機(jī)械有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外掛車用轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向橫拉桿兩端大多采用緩沖襯套和U形連接叉的方式連接。使用時(shí)，在轉(zhuǎn)向節(jié)上焊接襯套支座，再將緩沖襯套裝入支座內(nèi)，并用夾緊螺栓固定襯套，這樣襯套中間的內(nèi)孔可穿入螺栓與橫拉桿兩端的U形連接叉連接形成鉸鏈。在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)夾緊螺栓如果型號(hào)偏小或者強(qiáng)度等級(jí)偏低時(shí)則容易斷裂。另外螺栓預(yù)緊力過(guò)大也會(huì)造成襯套外圈變形嚴(yán)重，從而無(wú)法調(diào)整前束。本文作者針對(duì)上述問(wèn)題的原因進(jìn)行了充分分析，并通過(guò)試驗(yàn)選出合適的螺栓型號(hào)和預(yù)緊力，優(yōu)化了襯套座結(jié)構(gòu)尺寸，最終解決了上述問(wèn)題。

1 故障及原因分析

1.1 故障描述

公司開(kāi)發(fā)的掛車轉(zhuǎn)向橋在使用過(guò)程中出現(xiàn)了兩種故障現(xiàn)象：(1)轉(zhuǎn)向橋在使用不到兩個(gè)月后出現(xiàn)夾緊螺栓斷裂、襯套支座斷裂現(xiàn)象，如圖1所示；(2)客戶調(diào)整前束時(shí)發(fā)現(xiàn)襯套變形嚴(yán)重，松掉夾緊螺栓后襯套無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而無(wú)法調(diào)整前束(未保留故障照片)。

圖1 故障1照片

1.2 故障原因分析

1.2.1 原有轉(zhuǎn)向橋橫拉桿結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

掛車用轉(zhuǎn)向橋橫拉桿包括：襯套支座、緩沖襯套、固定螺栓及螺母、夾緊螺栓及彈墊、橫拉桿(兩端為U形結(jié)構(gòu))。各零件裝配關(guān)系如下：襯套支座焊接在轉(zhuǎn)向節(jié)上，襯套裝在支座孔內(nèi)并用夾緊螺栓夾緊，襯套通過(guò)固定螺栓和螺母與U形叉拉桿連接在一起，如圖2所示。襯套設(shè)計(jì)成偏心結(jié)構(gòu)(圖3)，需要調(diào)整前束時(shí)可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)襯套改變襯套中心相對(duì)支座中心的距離，從而改變前束值。襯套支座上有一開(kāi)槽(圖4)，使得支座可以有較大的彈性變形，當(dāng)前束調(diào)整好后將加緊螺栓打緊，此時(shí)襯套支座上的開(kāi)槽被壓縮，支座孔發(fā)生變形，從而夾緊襯套。

圖2 轉(zhuǎn)向橫拉桿及固定結(jié)構(gòu)

圖3 襯套(偏心結(jié)構(gòu))

圖4 襯套支座(帶開(kāi)槽)

其中，襯套支座開(kāi)槽尺寸原先是4 mm，夾緊螺栓為GB/T 5783 M14×60，要求預(yù)緊力(200±20)N·m。裝配工藝要求為：將螺栓打緊，彈墊壓平，螺栓預(yù)緊扭力不低于180 N·m，檢測(cè)工具為帶響聲預(yù)置式扭力扳手。

1.2.2 螺栓斷裂和襯套支座斷裂原因分析

由于客戶已自行更換了螺栓并繼續(xù)使用，所以無(wú)法對(duì)故障件進(jìn)行有效分析，僅能從照片推斷出襯套支座斷裂是因?yàn)閵A緊螺栓斷裂后支座在橫拉桿拉動(dòng)下產(chǎn)生大的變形后發(fā)生斷裂。但可以先對(duì)原先的工藝要求進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)是否存在問(wèn)題。

按照原先的工藝要求進(jìn)行裝配，當(dāng)扭力達(dá)到200 N·m時(shí)，彈墊已被壓平，襯套目視有輕微變形，如果繼續(xù)擰緊螺栓，發(fā)現(xiàn)襯套會(huì)發(fā)生明顯的變形，支座的開(kāi)槽寬度明顯減??；當(dāng)扭力超過(guò)300 N·m后，開(kāi)槽寬度迅速減小直至為0，此時(shí)槽口完全閉合，襯套外層鐵圈變形嚴(yán)重，已無(wú)法再使用。如圖5所示。

圖5 槽口閉合后的支座和襯套

可以看出，發(fā)生上述情況的原因是支座開(kāi)槽后結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度降低，無(wú)法承受較大的預(yù)緊力，產(chǎn)生了大的變形?？梢韵胂蟮?，實(shí)際裝配時(shí)開(kāi)槽尺寸是不受控制的，有些可能很大，有些可能很小。如果開(kāi)槽尺寸過(guò)小，則襯套會(huì)發(fā)生大的變形，且這種變形無(wú)法恢復(fù)，在使用過(guò)程中，轉(zhuǎn)向橋會(huì)承受各種震動(dòng)，從而會(huì)使襯套和支座之間產(chǎn)生間隙，襯套無(wú)法提供有效的減震和支撐作用，造成螺栓松動(dòng)并斷裂，螺栓斷裂后，支座受到較大拉力時(shí)也會(huì)跟著發(fā)生斷裂。當(dāng)然，不能排除斷裂的螺栓存在質(zhì)量問(wèn)題，因無(wú)法得到故障件，文中分析暫不考慮。

1.2.3 襯套變形原因分析

根據(jù)第1.2.2節(jié)所述，可能會(huì)認(rèn)為襯套變形的原因是螺栓擰緊力矩過(guò)大。但是這不是真正的原因，真正的原因是支座變形后的開(kāi)槽尺寸沒(méi)有得到控制，開(kāi)槽尺寸過(guò)小導(dǎo)致襯套發(fā)生永久性變形。

2 螺栓扭力及襯套變形問(wèn)題的深入研究

為了較好地解決上述故障問(wèn)題，需要知道：(1)夾緊螺栓選用什么型號(hào)，需要多大的預(yù)緊力矩合適；(2)襯套最大允許變形量是多少；(3)支座變形后開(kāi)槽尺寸控制在多少合適。

對(duì)于第(1)個(gè)問(wèn)題，可參考國(guó)外STEFFEN公司的轉(zhuǎn)向橋?qū)⒙菟ǜ臑镚B/T 5873 M18×70 8.8級(jí)，這樣的話夾緊螺栓可以承受更大的力，使用起來(lái)更加安全。M18×70螺栓預(yù)緊力通過(guò)查標(biāo)準(zhǔn)QC/T 518—2013《汽車用螺紋緊固件緊固扭矩》[1]后設(shè)定為(350±20)N·m。對(duì)于第(2)、第(3)條問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)得到數(shù)據(jù)。

2.1 試驗(yàn)方法

為了得到夾緊螺栓預(yù)緊力和襯套變形的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使用真實(shí)產(chǎn)品零件做試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方法如下：首先，將支座焊接在一個(gè)靜止的架子上；然后裝入偏心襯套和夾緊螺栓，偏心襯套此時(shí)夾緊螺栓先不打緊；之后，用扭力扳手分別按100、150、200、250、300 N·m的順序緩慢施力，每次施力到相應(yīng)扭力后停止施力，測(cè)量開(kāi)槽尺寸，并拆掉襯套測(cè)量徑向變形量(最大直徑和最小直徑之差)，測(cè)量完畢后按原先的裝配位置重新裝入襯套，繼續(xù)擰緊螺栓到下一個(gè)扭力值，重復(fù)上述步驟。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照第2.1節(jié)中的試驗(yàn)方法可得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)表1可以看出當(dāng)開(kāi)槽尺寸為3.5 mm時(shí)，襯套變形量為0.1 mm，變形不明顯，較合適。

2.3 橫拉桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

綜上，可以制定如下的改進(jìn)方案：(1)夾緊螺栓改用GB/T5873 M18×70 8.8級(jí)，預(yù)緊扭力(350±20)N·m；(2)增加墊圈厚度3.5 mm，裝在開(kāi)槽處，用于限制開(kāi)槽尺寸。改進(jìn)后的襯套支座結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的襯套支座結(jié)構(gòu)

2.4 方案驗(yàn)證

雖然設(shè)計(jì)出了改進(jìn)方案，但是此方案是否正確還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。需要驗(yàn)證以下問(wèn)題：(1)夾緊螺栓打緊后襯套變形是否和前面的試驗(yàn)一致(約0.1 mm)；(2)夾緊后襯套不能轉(zhuǎn)動(dòng)；(3)松開(kāi)夾緊螺栓后襯套需能轉(zhuǎn)動(dòng)(調(diào)節(jié)前束)。

為了驗(yàn)證上述問(wèn)題，按照改進(jìn)后的方案支座樣件進(jìn)行試裝，試裝結(jié)果如圖7所示：(1)襯套變形量為0.12 mm；(2)夾緊后用扭力扳手對(duì)襯套施加扭力，扭力150 Nm時(shí)襯套外圈依舊不動(dòng)，符合要求；(3)松開(kāi)夾緊螺栓后襯套可輕松轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 改進(jìn)后的襯套支座實(shí)物照片

根據(jù)試裝驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明改進(jìn)方案可行，能夠滿足實(shí)際需要。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析和驗(yàn)證，不僅得到了夾緊扭力與襯套變形量以及開(kāi)槽尺寸的具體數(shù)據(jù)，還對(duì)橫拉桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，解決了故障問(wèn)題。這說(shuō)明正確的分析與試驗(yàn)是解決問(wèn)題的有效方法，同時(shí)也能為今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。