轉(zhuǎn)向中間軸節(jié)叉開裂分析及優(yōu)化

顧佳

摘 要：某管柱電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向中間軸節(jié)叉在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)中發(fā)生開裂，通過節(jié)叉開裂的失效樹逐一分析開裂原因，分析結(jié)果表明：節(jié)叉尺寸設(shè)計(jì)和螺栓擰緊力矩對(duì)節(jié)叉開裂具有較大影響作用。通過CAE模擬分析找出節(jié)叉應(yīng)力薄弱點(diǎn)優(yōu)化節(jié)叉尺寸。通過螺栓選型和節(jié)叉拔出力試驗(yàn)提升了螺栓防松性能并確定螺栓擰緊力矩的下極限。在節(jié)叉夾緊力和節(jié)叉強(qiáng)度中找到平衡點(diǎn)。通過兩組耐久試驗(yàn)驗(yàn)證確定了節(jié)叉優(yōu)化的有效性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向中間軸 節(jié)叉 開裂

1 前言

管柱電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因其效率高、成本低、節(jié)能環(huán)保、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于中小型汽車上。其工作原理是，當(dāng)駕駛員握緊方向盤轉(zhuǎn)向時(shí)，扭矩傳感器接收到駕駛員的手力矩，轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，傳感器把這些參數(shù)傳輸?shù)紼CU， ECU根據(jù)車速，駕駛模式等進(jìn)行分析處理，指揮電機(jī)輸出助力，助力經(jīng)過蝸桿蝸輪放大，通過中間軸傳遞到機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)上。因此管柱電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向的中間軸在工作中承受了非常大的助力扭矩［1］。中間軸系統(tǒng)由管柱端萬向節(jié)總成（B點(diǎn)），滑動(dòng)副總成，密封蓋，轉(zhuǎn)向器端萬向節(jié)總成（C點(diǎn)）等組成[2]。對(duì)于管柱電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中間軸，對(duì)其強(qiáng)度，耐久性和可靠性提出了非常高的要求。

2 問題描述

某款管柱電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱，經(jīng)計(jì)算中間軸的最大工作扭矩為100Nm。按100Nm進(jìn)行的扭轉(zhuǎn)耐久過程中，組1，2，3都發(fā)生了B點(diǎn)外節(jié)叉開裂情況，如圖1所示，試驗(yàn)終止。試驗(yàn)匯總結(jié)果如表1所示。后未進(jìn)行中間軸旋轉(zhuǎn)耐久試驗(yàn)。

3 節(jié)叉開裂分析

針對(duì)開裂節(jié)叉進(jìn)行了斷口分析，綜合宏觀和微觀相貌，斷口呈多源疲勞斷裂特征。通過中間軸DFMEA中的失效模式和頭腦風(fēng)暴法，匯總了中間軸節(jié)叉疲勞開裂的失效樹如圖2所示，通過對(duì)失效樹中的各個(gè)選項(xiàng)逐一排查，確認(rèn)節(jié)叉開裂失效原因和優(yōu)化方案。

4 試驗(yàn)條件

4.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

中間軸扭轉(zhuǎn)耐久試驗(yàn)的輸入?yún)?shù)有試驗(yàn)扭矩，加載頻率，循環(huán)數(shù)和試驗(yàn)臺(tái)架的空間布置。經(jīng)查以上幾點(diǎn)都按照要求進(jìn)行。中間軸按照整車安裝角度固定在疲勞試驗(yàn)臺(tái)上，上節(jié)叉（B點(diǎn)）使用對(duì)應(yīng)的管柱輸出軸固定于伺服驅(qū)動(dòng)，下節(jié)叉（C點(diǎn)）使用轉(zhuǎn)向機(jī)對(duì)應(yīng)的輸入軸固定[3]。試驗(yàn)輸入扭矩加載端是B端，這和中間軸在整車上的實(shí)際應(yīng)用情況相一致。扭矩通過B端，經(jīng)過中間軸滑移段，最后到C端。由于中間軸滑移段具有一定吸收降低振動(dòng)的功能，所以扭矩傳遞到C端會(huì)平緩一些，這與試驗(yàn)結(jié)果B點(diǎn)節(jié)叉開裂相，C點(diǎn)節(jié)叉無開裂相吻合。

4.2 試驗(yàn)夾具狀況

中間軸扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的B，C端夾具經(jīng)檢測(cè)尺寸合格，試驗(yàn)后無嚴(yán)重磨損。

5 節(jié)叉設(shè)計(jì)

5.1 節(jié)叉花鍵設(shè)計(jì)

B點(diǎn)節(jié)叉花鍵對(duì)手件為客戶制指定設(shè)計(jì)尺，花鍵設(shè)計(jì)按理論最小間隙0.01mm。B點(diǎn)節(jié)叉花鍵經(jīng)止通規(guī)檢測(cè)合格。

5.2 節(jié)叉結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

對(duì)B點(diǎn)節(jié)叉進(jìn)行尺寸檢測(cè)，結(jié)果合格。對(duì)B點(diǎn)節(jié)叉進(jìn)行CAE模擬受力分析，在模擬由于螺栓擰緊產(chǎn)生加載夾緊力37.5KN的情況下，對(duì)節(jié)叉施加一定Nm扭矩，可以看到節(jié)叉的應(yīng)力分布圖，應(yīng)力最大的地方位于節(jié)叉腳開槽末端。這與節(jié)叉開裂部位相吻合。由于節(jié)叉斷裂處截面受限于裝配工裝的影響無法加厚加寬。尺寸上唯一能做調(diào)整的就是開槽的尺寸。我們就開槽尺寸及形狀做了如下的兩種優(yōu)化方案，并且進(jìn)行了CAE模擬受力分析對(duì)比，如圖3顯示可以看出，經(jīng)過尺寸優(yōu)化后的節(jié)叉加載一定扭矩后原開裂處的應(yīng)力大幅降低。

5.3 節(jié)叉熱處理設(shè)計(jì)

節(jié)叉毛胚是熱鍛成型材料為S45C.為保證一定強(qiáng)度和韌性，經(jīng)過調(diào)制處理。硬度要求為HV220-280.斷裂節(jié)叉金相檢測(cè)顯示斷口附近未見異常夾雜物，裂紋源處組織為回火索氏體和少量半網(wǎng)狀鐵素體，基體組織和擴(kuò)展區(qū)組織為回火索氏體，硬度檢測(cè)HV256，符合要求。

6 連接螺栓

6.1 螺栓選型

連接螺栓根據(jù)客戶要求，選用規(guī)格為M10*1.25 6H。主要尺寸經(jīng)檢測(cè)尺寸合格。當(dāng)螺栓連接連接作用表面，施加一定的擰緊力矩，不同的摩擦因數(shù)分配到螺紋副，螺紋端面和夾緊力三部分的消耗功不同，一般情況，螺紋端面摩擦占50%，螺紋副摩擦占40%，10%扭矩轉(zhuǎn)化為夾緊力，摩擦因數(shù)與夾緊力成反比[4]。由之前節(jié)叉CAE受力分析表明降低節(jié)叉夾緊力可以減少開裂面應(yīng)力。所以優(yōu)化選用了端面帶筋的防松螺栓代替普通螺栓如圖4，由于帶筋面的摩擦因數(shù)較大，同樣的擰緊力矩，螺紋端面的摩擦力矩消耗較大，同時(shí)端面帶筋螺栓的防松脫能力更強(qiáng)。

6.2 螺栓擰緊力矩

客戶定義的擰緊力矩為54-66Nm.如表1所示，66Nm擰緊力矩下B點(diǎn)節(jié)叉試驗(yàn)開裂，54Nm擰緊力矩下B點(diǎn)節(jié)叉未開裂。說明螺栓的擰緊力矩對(duì)節(jié)叉工作時(shí)的應(yīng)力有巨大影響。從CAE仿真也表明，降低節(jié)叉斷裂處應(yīng)力的有效方法之一是降低夾緊力，也就是降低螺栓擰緊力矩。經(jīng)確認(rèn)，擰緊力矩的公差可以由+/-6Nm減小到+/-3Nm.但是降低擰緊力矩也會(huì)帶來夾緊力不夠耐久后螺栓松動(dòng)的不利影響。為了便于測(cè)量節(jié)叉夾緊力，一般我們轉(zhuǎn)換成測(cè)量節(jié)叉夾緊花鍵軸后拉脫力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，100Nm工作力矩的中間軸節(jié)叉拉脫力需要保持在8000N以上。驗(yàn)證試驗(yàn)選用優(yōu)化后的防松螺栓，和優(yōu)化后的B點(diǎn)節(jié)叉。多組不同擰緊力矩的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的節(jié)叉，配合防松螺栓的最小擰緊力矩為58Nm，節(jié)叉拉脫力依然保持在8000N以上。

7 方案試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)經(jīng)過尺寸優(yōu)化后的B點(diǎn)節(jié)叉，配合防松螺栓，B點(diǎn)螺栓的擰緊力矩定為58Nm-64Nm.進(jìn)行兩項(xiàng)耐久試驗(yàn)。第一項(xiàng)扭轉(zhuǎn)耐久試驗(yàn)考核中間軸強(qiáng)度，B，C點(diǎn)擰緊力矩3組上限1組下限，試驗(yàn)順利通過，見表3。第二項(xiàng)旋轉(zhuǎn)耐久試驗(yàn)用于考核中間軸抗磨損能力。B，C點(diǎn)擰緊力矩三組下限一組上限， 試驗(yàn)順利通過，見表4。

8 結(jié)束語

本文針對(duì)某乘用車管柱電動(dòng)助力中間軸旋轉(zhuǎn)耐久試驗(yàn)B點(diǎn)節(jié)叉開裂問題，通過斷口分析確定了節(jié)叉為疲勞斷裂。通過失效樹對(duì)節(jié)叉開裂的影響因子進(jìn)行逐一分析。其中通過CAE分析對(duì)節(jié)叉的尺寸做了優(yōu)化，通過理論分析和節(jié)叉拔出力試驗(yàn)，確認(rèn)了防松螺栓對(duì)優(yōu)化后節(jié)叉的最小擰緊力矩。最后對(duì)優(yōu)化后的中間軸軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)耐久和旋轉(zhuǎn)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)了節(jié)叉優(yōu)化的有效性。

參考文獻(xiàn)：

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