转向泵传动轴断故障分析

（同济大学，上海）

转向泵传动轴断故障分析

敖萍萍

（同济大学，上海）

对客车在使用过程中出现转向泵传动轴断故障进行了分析，指出转向系统没有稳流卸压装置是导致其断轴的主要原因。在分析导致断轴的各种可能原因的基础上，提出了改进措施。

转向油泵 稳流泄压 断轴

1 前言

汽车转向泵是汽车动力转向系的动力源，是一个关键部件，它的性能及可靠性关系到能否准确、轻便地实现转向和保证行车安全。

2 故障现象

某公交公司在2009年出现了6台转向泵断轴故障，引起上柴公司的高度重视。该泵直接由发动机驱动，从断轴的转向泵故障件看，该轴属于疲劳断裂，且转向泵传动轴铜套普遍出现发黑现象。图1为断轴的转向泵拆检情况，以及断轴端面照片。

出现转向泵断轴的可能原因有如下几点：（1）转向泵本身的质量问题，轴的强度不够或者加工有尖角导致应力集中；（2）轴受到的外力超过其疲劳极限。

该转向泵为成熟产品，已在市场上连续多年大批量使用。该市场使用转向泵从2008年起报修方向重比较多，2008年年底曾针对转向泵轴向漏油导致方向重故障率高作过质量改进，主要提高油封耐高温性能（即油封在高温下不变形，仍能起到密封作用），该改进措施实施后市场上轴向漏油导致的方向重报修明显降低，其他未作任何变动。

图1 转向泵故障图

3 故障分析过程

先查转向泵本身是否有质量问题：分别送检2007年5月和12月，以及2008年12月未断轴转向泵传动轴以及断轴转向泵传动轴同部位做金相分析，抽查结果显示所断轴圆角处渗碳层和其他几个未断轴的圆角处的一致；测试断面层硬度，结果显示几个轴各层面硬度比图纸要求略低，但基本一致，先排除轴本身强度变化可能引起多个断轴出现的可能。

再查传动轴过渡圆角加工是否存在问题，放大故障件发现，该圆角加工的确不符合图纸要求，但该道工序已经是改进过的，改进之前加工该处还存在尖角也未曾出现断轴故障现象，且断口具有明显的多源扭转断裂特征，排除应力集中导致的断裂，如图2所示。

图2 转向泵过渡圆角放大图

另外同类型的转向泵在其他市场使用也未出现如此集中的断轴报修，先排除泵本身质量原因引起的同时批量断轴。

为查明转向泵在整车匹配方面是否存在问题，走访反映出现断轴的公交公司。经了解，该车型液压系统多年保持不变，唯一变动就是方向机于2008年始进行了国产化。

照此推理，若是由于方向机改动引起的，那应该从2008年开始就会出现断轴现象，实际情况是到2009年才出现。此外应查明国产化方向机和进口方向机之间的主要区别，并判断这是否为造成断轴的根本原因。

通过对比分析国产方向机及进口方向机，发现如下最大差别是，进口方向机有稳流卸压装置，而国产方向机则没有。

4 转向泵断轴原因分析及验证

当转向泵工作时，流量控制阀中的滑阀有一定开度，使流量达到规定要求，多余油液溢出，回到泵的进油腔内，即使泵的转速继续提高，泵的输出流量也不会因此而增加，防止汽车高速行驶时方向盘发飘。当由于某种原因使动力转向系统压力超过泵的最高工作压力时，转向系统的安全阀打开，全部油液溢流，对系统起到保护作用。

由于原先匹配该整机时考虑到整车的液压系统已有稳流卸压装置，因此没有选用带有卸压阀的转向泵。2008年选用的国产化方向机没有稳流卸压装置，此时转向泵继续使用原先无卸压装置的转向泵，整个液压系统没有了稳流卸压功能，导致转向时会出现转向泵的工作压力随着转速的增加而增加，二者区别如图3所示。

图3 进口、国产方向机对比

由于该转向泵直接由发动机驱动，当发动机转速升高时，转向泵的（齿轮泵结构）流量增加。

式中，

Q——转向泵流量；

C——流量系数；

A——滑阀截面积；

△p——油压差。

由流量方程可知，转向时，流量Q不断增加，由于没有稳流卸压功能，Δp增大，液压油被继续压缩，会直接导致发动机功率消耗过多，转向泵机件磨损增大，并使橡胶油管破裂，油缸密封圈及液压泵主动齿轮轴上的油封损坏。

图3 转向泵流量与转速关系

2008年没有出现批量断轴可能和原先的油封材料有关系。原先油封材料为丁腈橡胶，不耐高温，当液压油压力上升时，温度同时升高，造成丁腈橡胶失效，失去密封功能，导致液压油从轴向卸压，从而避免了转向泵轴承受过大的作用力而造成断轴可能；油封改用氟橡胶后，由于氟橡胶耐高温性能比丁腈橡胶好，在高温下能继续起到密封作用，使动力转向系统压力超过泵的最高工作压力，引起转向泵轴的断裂。

为了验证上述的分析，对液压系统的工作压力进行对比测试，在同一辆汽车上进行空载原地转向试验，测量这2种液压系统的最高瞬间压力：无卸压功能转向泵，压力高达28 MPa，超出25 MPa的极限压力；而带有稳流卸压阀的转向泵，进行同样操作，其最高压力不超过13 MPa。由此可以做出判断，转向泵轴断裂是由于转向系统没有卸压阀，转向泵过载而造成的。

5 结论

1）从转向泵本身质量、使用环境等各个角度，经过金相分析、用户走访以及试验结果分析判断，断轴主要原因是转向泵工作压力过高引起。

2）转向泵工作压力变高是由于转向系统中方向机国产化后没有了稳流卸压功能，而转向泵没有相应改进，整个转向系统无泄压装置，从而导致压力偏高，转向泵轴出现疲劳断裂。另外铜套发黑和转向泵压力陡增有很大关系。

3）2008年的泵传动轴断裂比较少和漏油有关，2008年转向泵漏油可以降低泵的工作压力，减少断轴现象的发生。

Analysis on Shaft Fracture of Steering Pump

Ao Pingping
（Tongji University,Shanghai 200093,China）

After analyzing the failure of the shafts of steering pumps used on buses,the main reason leading to broken shaft was found to be that the steering system had no stable flow pressure relieving device.. The solution for the issue based on the analysis on possible failure causes is put forward.

steering pump pressure relief for steady oil flow shaft fracture

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.013

来稿日期：2011-08-01

敖萍萍（1984－），女，硕士研究生，主要研究方向为发动机可靠性设计及质量改进。