某轻型卡车限位螺栓脱落问题原因分析与改进

牛营凯

（江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某轻型卡车限位螺栓脱落问题原因分析与改进

牛营凯

（江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

当汽车转向长时间处于极限位置时，转向限位螺栓受较大负荷，很容易造成磨损、开裂、弯曲脱落，给驾驶带来很大的危险性。本文从设计理论的角度对市场反馈的某轻型卡车转向限位螺栓出现脱落、开裂和弯曲的原因进行分析，最终通过优化整改彻底解决此问题。

转向限位螺栓；脱落；分析；改进

CLC NO.:U463.4Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-63-04

引言

前桥是汽车上一个重要的总成件，主要包括转向节、转向主销、前梁等零部件。前桥是通过悬架与车架相连，用以承受地面与车架之间的垂直载荷外，还承受制动力和侧向力以及这些力所构成的力矩，并保证转向轮作正确的运动。由于在汽车的行驶过程中，前桥所处的工作环境恶劣，工况复杂，其承受的载荷也多为交变载荷，从而其零部件易出现疲劳裂纹甚至断裂现象。当汽车转向长时间处于极限位置时，转向限位螺栓受较大负荷，很容易造成磨损、开裂、弯曲脱落，给驾驶带来很大的危险性，其故障如图1所示。

本文从设计理论的角度对市场反馈的某轻型卡车转向限位螺栓出现脱落、开裂和弯曲的原因进行分析，最终通过优化整改彻底解决此问题。

1、原因分析

针对限位螺栓脱落问题做FTA分析。

1.1 限位螺栓拧紧力矩校核

车辆在最大转角时，前轴挡块对螺栓头部产生的切向与轴向分力导致螺栓易产生松旷脱落， 对限位螺栓扭紧力矩进行校核，以该车型方向机最大输出力矩做分析，其所受力分解如图2所示。

螺栓拧紧力矩

其中：d为 螺栓头部直径（0.016m）；

Qb为螺栓预紧力(N)；

K0为拧紧力矩系数，取0.1～0.15；

Mr为螺栓拧紧力矩（扭紧力矩值为49N·m）；

前轴极限转角时，螺栓所受轴向力

其中：F为限位螺栓头部所受力，取值为32250N；

ɑ为螺栓头部受力方向与螺栓轴线夹角，取值为11°；

螺栓残余预紧力

此时转向时的螺栓残余预紧力已消失，可以判断出限位螺栓拧紧力矩为49N·m时力矩过小，不能满足设计要求。

正常工作时螺栓残余预紧力Qp应远＞0，即螺栓受Ft负荷时的被连接部位预紧力始终存在；

故障状态时残余预紧力Qp≤0，即受Ft负荷时的被连接部位预紧力消失，此时螺母对螺栓的预紧力为0，受到转向节反复冲击时，螺栓将松旷脱落。

1.2 限位螺栓强度校核

为保证零部件通用性，一般工字梁匹配多种转角，导致不同前桥限位螺栓受力方向与螺栓轴线存在夹角，限位螺栓与挡块接触时，螺栓除承受轴向压力外还承受垂直于螺栓方向的切向力，此力作用在螺栓上产生的弯矩是致使限位螺栓弯曲的主要力矩，如图3所示。

按照最大方向机输出力矩进行弯曲强度校核，方向机最大输出力矩为1965N，摇臂轴长度为194.5mm，3D数模中对转向直拉杆的受力角度进行精测，如图4所示。

转向节处力矩M；

摇臂轴相对方向机输入轴角度θ0，取值为12°；

通过数模校核，最大转角时摇臂角度θ1，取值为31.85°；摇臂输出端输出力：F=Mr/b

输出力沿拉杆方向的分力：FL=F·cos(31.85°)·cos(9.45°)弯臂输入轴X向分力：Fx= FL·cos(8.46°)·cos(4.23°)转向节所受力矩：M= Fx·l

其中l为转向节受力半径，取值为0.143mm；

如图5所示，螺栓头部受力点距转向节旋转半径R，值为37.02mm；

螺栓头部受力：F=M/R

螺纹直径：公制细螺纹M12

应力（压）：σ1=Fcosɑ/S

其中ɑ为螺栓头部受力方向与螺栓轴线夹角，取值为11°；

限位螺栓弯臂：螺栓受切向力的力臂有作图法可知，d=29.53mm；

弯矩：MB=F·d

材料屈服强度：8.8级螺栓公称屈服强度为Rel=355Mpa

安全系数：i=Rel/σ

把各参数计算值代入上述公式，如表2所示，安全系数为1.18，而设计值所要求的安全系数≥1.5，抗弯强度不能满足设计值导致限位螺栓弯曲。

表2 各参数计算值

1.3 限位螺栓材料强度校核

本轻型卡车限位螺栓材质为45#，机械性能等级8.8级；其他车型采用材质为40Cr，机械性能10.9级限位螺栓的车型，未出现限位螺栓弯曲现象，45#材料屈服强度为355MPa,40Cr材料屈服强度为785 MPa。现有限位螺栓材质45#不能满足设计要求。

1.4 限位螺栓外形结构校核

该车型限位螺栓为平头结构，由于极限转角时前轴挡块与螺栓轴线90°无法保证，螺栓端面与挡块为点面接触，接触点受压时易磨损、变形；也有限位螺栓采用球面结构，球径为6，与限位挡块接触时为点面接触，球径小，球面曲率大，接触点承受非常大的压应力；经对比发现某标杆车限位螺栓大圆弧平头结构限位螺栓，该结构优于上述两种结构，可提高接触点的承载性。

2、改进优化

根据上文分析，该车型限位螺栓扭紧力矩校核、强度校核、材料和结构都不能满足设计要求，都是造成该车型限位螺栓磨损、开裂、弯曲脱落的原因。决定拧紧力矩由（49± 9.8）N·m增大到（78～96）N·m；螺栓材料由45#改为40Cr；螺栓强度等级由8.8增大到10.9；螺栓头部的平头结构或小球面结构统一改为球径为10的大球面结构。限位螺栓整改前后如表3所示。

表3 限位螺栓整改前后对比

2.1 整改后螺栓拧紧力矩校核

螺栓预紧力大于螺栓所受轴向力，因此，螺栓残余预紧力Qp =42666-31657=11010N

2.2 整改后螺栓抗弯安全系数校核

表4为优化后限位螺栓抗弯强度校核结果，改进后安全系数大于设计要求值1.5，整改后的限位螺栓抗弯强度合格，满足设计要求。

表4 优化后的强度校核

3、试验及市场验证

针对优化后的转向限位螺栓，进行整车300000km试验验证。当整车行驶里程为414500km，大于设计要求里程300000km，无限位螺栓故障反馈。整车路试结果证明整改后的限位螺栓符合设计要求。表5为其试验里程：

表5 整车试验里程表

按改进方案，对该车型限位螺栓进行了切换，通过半年的市场跟踪验证，无限位螺栓弯曲、断裂以及脱落问题出现。市场验证结果表明整改后的限位螺栓符合设计要求。

4、结束语

本文从设计理论的角度，对转向限位螺栓扭紧力矩、强度、材料和结构进行校核验证，分析出造成限位螺栓脱落的原因，根据原因进行改进。最终解决了限位螺栓磨损、开裂、弯曲脱落问题，且试验验证效果良好。本文所及方法和结论对类似问题的解决具有一定的借鉴作用。

[1] 王望予.汽车设计.北京：机械工业出版社，2000.

[2] 王霄锋.汽车底盘设计.北京：清华大学出版社，2010.

[3] 陈家瑞.汽车构造[下].人民交通出版社，2002.

[4] 江淮汽车集团研发中心.江淮轻型卡车设计规范.第一版,合肥: 江淮汽车股份有限公司,2006年6月.

表7

5、结论

（1）通过分别运转法和噪声源隔离法识别某微型客车加速行驶通过噪声超标的噪声源，并根据相关理论公式计算分析各噪声源对该微型客车加速行驶通过噪声超标的贡献量和贡献率。

（2）采取适当合理的方案措施，并进行实车验证测试。使该微型客车加速行驶通过噪声达到小于74dB(A)的国家法规要求，从而达到了设计目标。

（3）本文提出的通过合理调整发动机ECU标定参数来降低车外加速噪声的方法，在微型客车NVH性能开发中是一次成功的运用。发动机ECU标定参数相对其他的措施，不涉及零件更改，成本较低，对研究车外加速噪声、排气消声器噪声和发动机噪声等主要噪声源的匹配关系方面具有借鉴意义。

参考文献

[1] 弯艳玲，李夺魁.某型轿车加速行驶车外噪声控制方法[J].振动、测试与诊断，2012，第32卷第5期：851-853.

[2] 王霞.汽车加速行驶车外噪声的测量及分析[J].重庆工学院学报，2005，第19卷第11期：14-16.

[3] 庞剑，谌刚.汽车噪声与振动--理论与应用[M].1版.北京：北京理工大学出版社，2006：10-15.

A light truck limit bolt falls off cause analysis and improvement

Niu Yingkai
(Jiang-Huai Automobile Company, Anhui Hefei 230601 )

When the car turned to for a long time in the limit position, to limit bolt by large load, it is easy to wear, cracking, bending loss to the dangers of driving is huge. In this paper, from the Angle of the design theory of market feedback a light-duty truck appeared to limit bolt falls off, the reason of cracking and bending is analyzed, finally through optimizing rectification thoroughly solve the problem.

the steering limiting bolt；fall；analysis；improvement

U463.4

A

1671-7988(2014)11-63-04

牛营凯，就职于江淮汽车技术中心商用车研究院。