某重型车辆转向系统摇臂断裂问题分析

李强，任波

(泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000)

某重型车辆转向系统摇臂断裂问题分析

李强，任波

(泰安航天特种车有限公司，山东泰安 271000)

某重型车辆转向系统摇臂断裂，对车辆的行车安全造成重大影响。通过对转向摇臂进行力学校核、化学成分分析、力学性能分析，确定断裂的根本原因，杜绝类似问题发生。

转向系统；转向摇臂；断裂分析

0 引言

转向功能是车辆重要的功能之一，如该系统出现问题，对车辆的行车安全有重大影响。现重型车辆转向系统主要由机械传动部分和液压助力部分组成。作者根据国内某重型车辆转向摇臂断裂的问题，分析导致问题发生的原因，杜绝类似问题发生。

1 转向系统简介

某重型车辆为一二桥转向形式，液压助力转向。该车型转向传动纵拉杆系由转向垂臂、一桥纵拉杆、一桥摇臂、一桥直拉杆、一二桥连杆、二桥摇臂、二桥直拉杆、直拉杆臂等组成，如图1所示。

图1 转向系统传动简图

2 问题描述

车辆使用过程中，发现一桥摇臂断裂，断裂点为一桥转向摇臂，如图1所示。

3 问题原因分析

导致摇臂断裂可能的原因如下：

(1)摇臂设计强度不足

车辆正常使用过程中，转向系统施加给摇臂的力矩大于所能承受的力矩，造成摇臂断裂。

(2)摇臂材质问题

摇臂设计材质为ZG40Cr，摇臂材质不符合ZG40Cr成分要求，导致强度降低，造成摇臂断裂。

(3)铸造缺陷

摇臂为铸造件，在铸造过程中，摇臂存在铸造缺陷，导致摇臂断裂。

4 具体分析

(1)摇臂设计强度复核

转向摇臂设计材质为ZG40Cr,热处理状态为正火+回火，此状态下ZG40Cr抗拉强度为630 MPa 、屈服强度345 MPa。

当车辆二桥悬空时，一桥转向至限位工况下，此时，一桥轮胎达到限位，无法运动，油缸产生的推力与反馈过来的反作用力相互抵消。一桥纵拉杆此时没有从一桥油缸传递过来的力矩。整个杆系所受力矩为方向盘手力转化到垂臂上的力矩及二桥助力油缸产生的力矩。

以ANSYS为平台建立摇臂的有限元模型，通过静力学分析计算摇臂受力时的应力值，摇臂的应力计算结果如图2所示。

有限元计算结果显示：应力最大值为摇臂加强筋后部变截面处，最大应力值为120.1 MPa。

图2 一桥摇臂计算结果应力云图

通过分析计算可知，车辆转向纵拉杆系一桥摇臂最大受力工况为：二桥悬空，前桥车轮右转向达到极限位置，液压系统压力达到系统设定压力13.5 MPa时，此时第一摇臂最大应力值为120.1 MPa，小于屈服强度345 MPa，满足设计使用要求。

(2)摇臂材质分析

对问题摇臂进行化学成分检验，如表1所示。

表1 摇臂化学成分标准及检测结果

结论：根据钢的化学成分允许偏差GB/T 222-2006判为合格。

对问题摇臂进行力学性能分析，如表2所示。

表2 一桥摇臂机械性能标准及检测结果

结论：抗拉强度合格。

(3)铸造缺陷分析

对问题摇臂进行了断口扫描电镜分析，断口上表面黑色区域能谱分析主要成分为Fe及Fe化合物，金相观察黑色区域，表面存在明显脱碳现象，如图3所示。

图3 断面上表面金相图

由此可确定摇臂的断裂形式为铸造裂纹，摇臂基体组织为珠光体+铁素体。

综上可知：故障摇臂开裂部位存在铸造缺陷裂纹，因裂纹造成一桥摇臂强度降低，当车辆行驶过程中遇到较大冲击时，一桥摇臂沿裂纹扩展发生断裂。

5 结束语

转向系统影响车辆的行车安全，各部组件在设计时需充分考虑强度，在加工过程中需重点监控各部组件材料、铸造和装配等各方面质量，杜绝转向系统出现问题。

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Analysis of Radial Fracture Problem of a Heavy Vehicle Steering System

LI Qiang,REN Bo

(Taian Aerospace Special Vehicle Co.,Ltd.,Taian Shandong 271000,China)

Rocker arm of a heavy vehicle steering system fractured, influencing driving safety seriously. Through mechanical check, chemical analysis, mechanical properties analysis, the root cause of the fracture was determined to put an end to similar problems.

Steering system；Steering arm；Fracture analysis

2016-09-08

李强(1986—)，男，助理工程师，研究方向为车辆工程。E-mail:15153829123@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.015

U461.91

A

1674-1986(2016)12-063-03