某車(chē)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油管受力分析

陳移鳳

（江鈴汽車(chē)股份有限公司，江西 南昌 330001）

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用是保證汽車(chē)按照駕駛員的意愿直線或轉(zhuǎn)向行駛[1]。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是利用油液不可壓縮性及靈敏性，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的部分機(jī)械能，通過(guò)油液轉(zhuǎn)化為壓力能，減輕轉(zhuǎn)向操縱力實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕便轉(zhuǎn)向[2]。轉(zhuǎn)向油管為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要承載部件，油管出現(xiàn)裂紋引起轉(zhuǎn)向液泄露，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)失效，造成轉(zhuǎn)向沉重，影響客戶(hù)使用體驗(yàn)，引起客戶(hù)抱怨[3]。

結(jié)合某車(chē)型產(chǎn)生轉(zhuǎn)向油管裂紋漏油的問(wèn)題，系統(tǒng)地從油管的材料、性能、布置設(shè)計(jì)、共振頻率、應(yīng)力分析等各方面，通過(guò)理論分析及實(shí)車(chē)測(cè)試相結(jié)合，最終鎖定故障根本原因，并采取有效措施解決轉(zhuǎn)向油管裂紋漏油導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向費(fèi)力問(wèn)題。

1 問(wèn)題背景及描述

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件包括轉(zhuǎn)向器、助力轉(zhuǎn)向泵、儲(chǔ)液罐、轉(zhuǎn)向油管等[4]。轉(zhuǎn)向油管失效會(huì)導(dǎo)致助力轉(zhuǎn)向失效。因此，轉(zhuǎn)向油管的設(shè)計(jì)需充分考慮管路的結(jié)構(gòu)、布置設(shè)計(jì)、工作壓力、屈服應(yīng)力、材料強(qiáng)度、可靠性等。轉(zhuǎn)向油管使用的材料主要根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行選擇，可以為軟管、硬管或混合式[5]。

圖1為某車(chē)型液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置示意圖。

圖1 助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

根據(jù)售后市場(chǎng)的三包維修故障信息統(tǒng)計(jì)，該車(chē)型頻繁發(fā)生多起轉(zhuǎn)向沉重故障，通過(guò)對(duì)故障車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向高壓硬管連接處轉(zhuǎn)向液泄露。故障車(chē)更換轉(zhuǎn)向高壓硬管，客戶(hù)在使用一段時(shí)間后，故障再次重復(fù)出現(xiàn)，引起客戶(hù)抱怨。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向高壓硬管故障件進(jìn)行外觀檢查，排除外力碰撞沖擊損傷。對(duì)故障件進(jìn)行氣密性測(cè)試，其測(cè)試方法為油管兩端固定密封，從管端施加14 MPa壓力，保持15 s，檢測(cè)結(jié)果故障件均表現(xiàn)為同一失效模式：轉(zhuǎn)向高壓硬管喇叭口密封位置根部微裂紋泄露，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向高壓硬管開(kāi)裂

2 失效原因分析

為了確認(rèn)轉(zhuǎn)向高壓硬管重復(fù)開(kāi)裂漏油的根本原因，系統(tǒng)地從硬管的材料、性能、布置設(shè)計(jì)、共振頻率、應(yīng)力分析等各方面逐一分析，以確定造成轉(zhuǎn)向高壓硬管喇叭口根部位置微裂紋漏油的根本原因。

2.1 故障件分析

首先對(duì)返回的故障件進(jìn)行檢測(cè)，硬管裂紋部位管端尺寸及管接頭尺寸檢測(cè)結(jié)果如表1所示，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 硬管尺寸檢測(cè)

其次對(duì)硬管素材材質(zhì)強(qiáng)度檢測(cè)，將試件安裝 于萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)試件施加向上拉力，直至試件失效為止，記錄拉伸強(qiáng)度值如表2所示。

表2 硬管素材強(qiáng)度檢測(cè)

通過(guò)對(duì)故障件硬管尺寸及材質(zhì)強(qiáng)度測(cè)試，排除零件原材料質(zhì)量缺陷因子導(dǎo)致硬管微裂紋。

對(duì)故障件裂紋機(jī)理進(jìn)行電子顯微鏡斷口分析，分析結(jié)果顯示，宏觀斷口未見(jiàn)明顯起裂源特征。微觀斷口的形貌特征顯示為疲勞條紋，局部位置有磨損痕跡，如圖3所示，判斷樣品斷口屬于疲勞斷裂模式失效。

圖3 樣品微觀斷口

2.2 轉(zhuǎn)向硬管振動(dòng)頻率分析

為了明確產(chǎn)生疲勞斷裂的關(guān)鍵因子，結(jié)合轉(zhuǎn)向硬管的總布置設(shè)計(jì)，以及模擬整車(chē)使用工況，進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)向硬管共振風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)力分布。

首先分析轉(zhuǎn)向高壓硬管的共振頻率，分別進(jìn)行硬管零件臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)以及整車(chē)振動(dòng)測(cè)試，采集分析轉(zhuǎn)向油管振動(dòng)頻率。

2.2.1 臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)

使用振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，將轉(zhuǎn)向硬管試樣固定于振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上，在10～500 Hz內(nèi)，按1 oct/min速率進(jìn)行X/Y/Z三個(gè)方向的掃頻，測(cè)量硬管本身的共振峰值，試驗(yàn)參照共振頻率圖譜（圖4）規(guī)定加速度及共振頻率要求執(zhí)行，完成20×106次耐久試驗(yàn)后，樣品目視檢查不得出現(xiàn)破損、裂紋等。

圖4 共振頻率圖譜

試驗(yàn)過(guò)程中階段性檢查及試驗(yàn)完成后，終檢5個(gè)樣件均未出現(xiàn)裂紋等異?，F(xiàn)象，如表3所示。

表3 振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 整車(chē)共振試驗(yàn)

整車(chē)振動(dòng)測(cè)試方法是在整車(chē)轉(zhuǎn)向硬管裂紋位置連接傳感器，采集車(chē)輛行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)向油管振動(dòng)頻率，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析顯示，100 Hz以?xún)?nèi)的二階，即常用的3 000 r/min以?xún)?nèi)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向高壓硬管無(wú)明顯共振，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振頻率

2.3 轉(zhuǎn)向硬管CAE仿真應(yīng)力分析

采用慣性釋放計(jì)算方法模型無(wú)約束，輸入載荷為 ADAMS計(jì)算輸出結(jié)果，模擬整車(chē)常用以下11種不同使用工況進(jìn)行計(jì)算：

1）Case1，靜態(tài)工況static，車(chē)輛原地怠速工況；2）Case2，制動(dòng)brake，車(chē)輛行駛中踩制動(dòng)踏板剎車(chē)；3）Case3，轉(zhuǎn)彎 cornering，車(chē)輛行駛中變道或轉(zhuǎn)彎工況；4）Case4，轉(zhuǎn)彎制動(dòng)corneringbrake，車(chē)輛行駛中制動(dòng)減速轉(zhuǎn)彎工況；5）Case5，左前右后車(chē)輪上抬工況 fl_rr_100，左前輪胎及右后輪胎在不平路面上跳，上跳行程＜100 mm；6）Case6，右前左后車(chē)輪上抬工況fr_rl_100，右前輪胎及左后輪胎在不平路面上跳，上跳行程＜100 mm；7）Case7，左前輪上抬front_left_150，左前輪胎在不平路面上跳，上跳行程＜150 mm；8）Case8，右前輪上抬 front_right_150，右前輪胎在不平路面上跳，上跳行程＜150 mm；9）Case9，左后輪上抬rear_left_150，左后輪胎在不平路面上跳，上跳行程＜150 mm；10）Case10，右后輪上抬 rear_right_150，右后輪胎在不平路面上跳，上跳行程＜150 mm；11）Case11 bump，整車(chē)在顛簸路面行駛。

在上述11種車(chē)輛使用工況中，分別約束車(chē)架截?cái)嗝婕稗D(zhuǎn)向高壓硬管端所有自由度，同時(shí)基于X/Y/Z三個(gè)方向分別賦予加速度 1g激勵(lì)，以此為基礎(chǔ)建立ADAMS仿真計(jì)算模型。

ADAMS仿真計(jì)算結(jié)果顯示，在整車(chē)case2制動(dòng) brake、case3轉(zhuǎn)彎 cornering、case4轉(zhuǎn)彎制動(dòng)cornering-brake工況下，車(chē)架縱梁扭曲變形最大。轉(zhuǎn)向硬管布置設(shè)計(jì)沿車(chē)架縱梁固定安裝，受架縱梁扭曲變形影響，硬管喇叭口處應(yīng)力隨車(chē)架縱梁變形增加而增大，且最大應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度，在case4轉(zhuǎn)彎制動(dòng)cornering-brake最為明顯，與故障現(xiàn)象相符。由此推斷該因子為導(dǎo)致轉(zhuǎn)向硬管重復(fù)開(kāi)裂的根本原因。

3 方案優(yōu)化及驗(yàn)證

為降低轉(zhuǎn)向高壓硬管受車(chē)架變形的拉伸應(yīng)力，優(yōu)化轉(zhuǎn)向高壓硬管在車(chē)架縱梁固定安裝位置的自由度約束，硬管支架全約束固定形式優(yōu)化為軟管夾 2自由度約束。減少轉(zhuǎn)向硬管約束后，同車(chē)架強(qiáng)度工況下，當(dāng)車(chē)架縱梁扭曲變形時(shí)，轉(zhuǎn)向硬管應(yīng)力緩解釋放，同時(shí)計(jì)算振動(dòng)工況，最大應(yīng)力為94 MPa，頻率為153.4 Hz，無(wú)共振失效風(fēng)險(xiǎn)。

改進(jìn)前后方案經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真分析對(duì)比，轉(zhuǎn)向硬管最大應(yīng)力及最大塑性應(yīng)變均明顯改善。雖然在制動(dòng)轉(zhuǎn)彎工況下仍有塑性變形，但應(yīng)變值很小，可通過(guò)轉(zhuǎn)向軟管吸收，對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。由CAE仿真分析結(jié)果可知，新方案可有效解決轉(zhuǎn)向高壓硬管受應(yīng)力開(kāi)裂漏油問(wèn)題。

表4 某輕卡車(chē)架強(qiáng)度工況油管應(yīng)力計(jì)算

基于對(duì)優(yōu)化后方案的分析，對(duì)實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)向管路布置按新方案裝車(chē)驗(yàn)證，并跟蹤售后市場(chǎng)反饋，采用優(yōu)化后方案未再發(fā)生轉(zhuǎn)向硬管微裂紋漏油導(dǎo)致轉(zhuǎn)向費(fèi)力故障。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某車(chē)型的實(shí)際案例，對(duì)轉(zhuǎn)向硬管開(kāi)裂的可能因子，從硬管的原材料、拉伸性能、斷口分析、振動(dòng)頻率及不同工況應(yīng)力頻率響應(yīng)等方面分析，確認(rèn)在整車(chē)制動(dòng)、轉(zhuǎn)向工況時(shí)，轉(zhuǎn)向硬管應(yīng)力與車(chē)架縱梁扭曲變形量成正比，當(dāng)車(chē)架縱梁扭曲變形量最大時(shí)，轉(zhuǎn)向硬管喇叭口處應(yīng)力超出硬管材料屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致硬管出現(xiàn)微裂紋失效。最后通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)向硬管的布置及固定方式，成功解決了硬管開(kāi)裂漏油的問(wèn)題。通過(guò)探討的案例總結(jié)可知，汽車(chē)轉(zhuǎn)向油管布置設(shè)計(jì)，對(duì)整車(chē)使用工況中轉(zhuǎn)向油管應(yīng)力分布有直接影響，對(duì)于初涉及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工程人員，在轉(zhuǎn)向管路設(shè)計(jì)時(shí)，不僅靠考慮油管的材料、強(qiáng)度、走向布置等，更要充分考慮不同工況下車(chē)架變形、懸架運(yùn)動(dòng)、車(chē)輪跳動(dòng)等對(duì)油管的應(yīng)力影響，以此為鑒，在新車(chē)型開(kāi)發(fā)管路過(guò)程中充分考慮轉(zhuǎn)向油管的應(yīng)力釋放，避免硬管剛性約束連接導(dǎo)致變形或出現(xiàn)裂紋。