方向盘锁挡片失效分析与改进

王化龙，武运宁，朱磊

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



方向盘锁挡片失效分析与改进

王化龙，武运宁，朱磊

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

摘 要：为了提高方向盘锁的可靠性，采用质量工具及理化分析方法，找出影响方向盘锁挡片失效的关键因子，对方向盘锁挡片结构进行改进提升。用CAE分析方向对改善前后的方向盘锁挡片结构进行了应力分析及验证，提高了方向盘锁挡片的强度。

关键词：方向盘锁挡片；理化分析；疲劳断裂

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.039

CLC NO.: U467.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-118-03

引言

随着社会的发展，汽车使用的频率越来越多，汽车的安全性能、出勤率、生命周期都有了更严格的要求，因此需要对汽车进行优化提升来满足用户不断增长的需求。转向系作汽车上重要的一部分，它的质量直接影响着整车的安全性能。因此对转向系出现的故障需要深入分析失效原因，从源头消除安全隐患。

1、问题概述

方向盘锁作为转向系的重要组成部分，主要负责起动发动机和控制方向盘转动的锁止。方向盘锁止功能主要通过方向盘锁上面的锁止销轴插入方向盘管柱上锁止孔实现。点火钥匙控制方向盘锁锁芯的转动，锁芯控制挡板的位置，挡板冲压镶嵌在轴销上，见图1。当车辆启动时转动点火钥匙，锁芯转动并带动挡板和轴销向上运动，轴销脱离出转向管柱上的限位孔，方向盘自由转动。当点火钥匙拔出后，锁芯回到最初的位置，挡板失去锁芯的约束处于自由状态。轴销在弹簧的恢复力的作用下向外运动，插入转向管柱上的锁止孔，方向盘方向锁死。

图1　方向盘锁剖面图

在车辆行驶过程中方向盘锁死将直接影响行车安全，因此必须尽量避免。其中挡板断裂（图2）将直接导致方向锁死。挡板断裂时，轴销在弹簧恢复力的作用下向外运动，在转动方向盘时插入转向管柱上的限位孔，方向盘锁死。因此需要对方向盘锁挡板断裂进行改进提升。

图2　断裂挡板故障照片

2、失效原因分析

2.1 新件拆解检查

图3　轴销与挡板侧视图

图4　轴销与挡板俯视图

新件的轴销与挡板拆解侧视图、俯视图分别为图3、图4。因断裂处为颈部，为了确认方向盘锁挡板与设计图纸的符合性，随机抽取新到货的方向盘锁进行状态确认，图纸要求挡板与轴销凹槽过盈配合，且明确轴销上端面平面度，以确保方向盘锁总成的可靠性。经拆解测量发现，挡板相关尺寸符合图纸要求，经显微镜观察分析，挡板颈部在进行折弯和加工加强筋的时候产生了磨损和毛刺，用肉眼很难观察到有明显缺陷，初步判断该处存在应力集中现象，表面已经存在断裂源。

2.2 旧件失效分析

为了进一步确认失效件的失效原因，对失效件从宏观检查、硬度检查、化学成分、金相检查四个方面进行分析，具体如下：

（1）宏观检查：方向盘锁总成轴销与挡板宏观形貌图见图5，挡板断裂位置处于挡板颈部折弯处，该处有冲压的加强筋，断口宏观形貌见图6所示。图6断面上有3个疲劳源，断面上半部分起裂于箭头所示的2个边角部位，下半部分起裂于箭头所示的中间部位。裂纹扩展区均呈现明显的贝纹状形貌，说明失效模式属于疲劳断裂。

图5　销轴与断裂挡板宏观形貌

图6　挡板断口宏观形貌

（2）硬度检查：断裂限位板基体硬度平均为166HV10。

（3）化学成分：

零件的化学成分（质量分数）

（4）金相检查：

对断裂限位板进行微观检查，基体组织为铁素体+渗碳体，如图7所示。

图7　失效件基体组织 500X

图8　改进后新状态挡板结构

通过理化分析可知断裂挡板的的硬度、化学成分、金像组织符合设计要求，贝纹状断口表明挡板断裂属于长期使用后发生的疲劳断裂，说明挡板强度不够，需要加强。通过对新挡板的外观检查分析发现，

结构设计不合理，挡板强度不满足加工和长期使用要求，挡板颈部在进行折弯和加工加强筋的时候产生了磨损和毛刺，存在应力集中和断裂源，在使用过程中容易疲劳断裂失效，存在安全隐患。

3、结构改进并对改进前后结构进行CAE分析

将挡板厚度加厚33%，颈部加宽33%（图8），整体加强66%，并在两种极限工况下对改进前后的方向盘锁挡片进行CAE分析，约束锁舌底部6个自由度（123456），工况设计及详细分析结果如下：

图9　工况设定与受力图

图10　疲劳工况设定的受力分析图

工况一：F1=36.4N，方向与轴销轴线平行，与轴销轴线距离11mm；

工况二：F2=3.7N，方向与轴销轴线一致；

疲劳工况：工况一应力为疲劳分析的上限，工况二应力为疲劳分析的下限（图9）。

（2）工况一状态下改进前后的CAE图如图11：

图11　工况一状态下改进前后的CAE图

在工况一状态下改进前旧状态挡板的应力集中区域为红色区域，与故障件一致，面积较大，说明应力集中现象严重。

通过CAE分析对比结果可知，改进后的应力云图红色区域消失，应力集中现象已经消除，挡板的理论疲劳循环次数从9.74×1010次提高至2.89×1016次，疲劳寿命显著提高，由此可见，方向盘锁结构改进的效果明显。

4、结论

对比挡板结构改进前后的结构图和CAE分析图，挡板的厚度和颈部宽度分别增加了33%，强度增加了66%，提高了疲劳寿命。并依据QC/T 628-1999开展了方向盘锁的相关台架试验，如强度、耐振性、耐久性试验等，试验结果良好，表明方向盘锁改进效果明显，产品质量显著提升。

中图分类号：U467.3

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)04-118-03

作者简介：王化龙，就职于陕西重型汽车有限公司。

Failure analysis and Improvement of Steering wheel lock

Wang Hualong, Wu Yunning, Zhu Lei
( Shaanxi Heavy Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract:In order to improve the reliability of the steering wheel lock, the key factors affecting the failure of the steering wheel lock block are found by using quality tools and physical and chemical analysis methods, and the structure of the steering wheel lock block is improved. The stress analysis and verification of the structure of the steering wheel lock were made by CAE analysis to improve the strength of the steering wheel lock.

Keywords:Steering wheel lock; physical and chemical analysis; fatigue fracture