汽车转向系统摩擦学技术与应用

2017-08-30高文华李阳

中国设备工程 2017年16期

关键词：转向节球头花键

高文华，李阳

（1.山东黑旋风锯业有限公司，山东莱芜 271100；2.济南大学机械工程学院，山东济南 250022）

汽车转向系统摩擦学技术与应用

高文华1，李阳2

（1.山东黑旋风锯业有限公司，山东莱芜 271100；2.济南大学机械工程学院，山东济南 250022）

汽车转向系统是汽车构造中一个极其重要的部分，它直接影响着汽车的行驶安全，本文针对汽车的机械转向系，结合工程理论和实际，从摩擦学的角度对转向系进行了研究分析。分别对传动轴花键、横直拉杆球头销、万向节、转向器、转向节这五种重要的摩擦副行为进行了研究。

汽车；转向系统；摩擦学

汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统（俗称汽车转向系）。因此，汽车转向系的功用是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。了解这些保安件之间的摩擦行为并定期做润滑保养就显得尤为重要。

1 汽车转向系的工作原理

汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

图1所示为机械转向系的组成和布置示意图。当汽车转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6，再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9 上的转向节臂8，使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节13及其支承的右转向轮随之偏转相应角度，还设置了转向梯形。转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆11组成。

从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件属于转向操纵机构。由转向摇臂至转向梯形这一系列部件和零件（不含转向节）均属于转向传动机构。

图1 机械转向系的组成和布置示意图

2 各个摩擦副之间的摩擦行为

2.1 传动轴滑动花键连接的摩擦行为

2.1.1 简介

车用转向传动轴是汽车转向系统中的重要部件之一，主要起传递驾驶员施加给转向盘的扭矩，驱动转向器工作，以达到控制汽车行驶方向的作用。它的运转正常与否，将直接影响到汽车的行驶安全。汽车的传动轴一般由万向节、轴管和伸缩套组成。如图2所示，图2中套管和伸缩套是由滑动花键连接的。由于要保证转向系统在工作时不能有较大的空行程，保证驾驶机动性，花键齿侧应保持较小的配合间隙，因此，联接花键采用“齿侧定心”方式。目前滑动花键式转向传动轴的花键形式普遍采用矩形花键，材料采用中碳钢。

图2 传动轴总成

由于汽车传动轴和花键置于底部位置既要承受由车轮、车架传递过来不平路面的冲击振动，又随时面临路面的磕碰和泥沙的侵入，因而加剧了传动轴与花键联接件的磨损破坏。据统计资料表明：发生传动轴故障,因磨损引起的占97．6%，因断裂破坏引起的仅占2．4%，而在传动轴的各零件中尤以花键联接的磨损破坏故障为最多。因此，欲提高花键联接的可靠性乃至整机运行的可靠性，就必须分析传动轴花键联接的磨损现象和磨损机理，研究与耐磨性有关的影响因素及它们的内在规律。

2.1.2 传动轴花键磨损机理研究

滑动花键式车用转向传动轴在工作时，联接花键在承受一定正、反转矩的同时，花键轴和花键套为适应车体的振动，还要进行相对往复滑动，花键齿侧要受到一定往复频率的沿轴向的摩擦力。再加上动力传递过程中的瞬时冲击，其主要的磨损机理是粘着磨损。当在不好的路况上行驶时，灰尘、泥砂等小颗粒会落入联接件中。在花键联接件的旋转、滑动过程中，这些颗粒使花键在承受粘着磨损的同时又伴随着磨料磨损。

2.1.3 处理措施

为增加花键的耐磨性，花键轴和花键套均需调质处理，硬度285～321HBS 。并在热处理后进行磨削加工，以减少不平度对花键磨损的影响；除此之外，定期加注含有二硫化钼型润滑脂，也可以有效改善磨损状况。

另外，为了更大程度地减少轴向滑动力，可以在花键联接处涂装一层尼龙11（聚酰胺-11）覆盖层，它具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，可使振动受到阻尼，且使工作面上的载荷更加均匀，因而降低了花键联接的工作应力，也改善了其磨损情况。

2.2 转向拉杆球头销与球头座的摩擦行为

2.2.1 简介

在汽车底盘的悬挂转向系统，转向直拉杆与转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生干涉，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂三者之间都采用球头销。

球头销是汽车转向拉杆连接部分的一个重要零件，它与球座组成球面运动副。能保证汽车操纵的稳定性，行驶的平顺性、舒适性、安全性及汽车正确、准确的行驶方向，起到支承汽车重量，传递操纵方向力的作用。因此，要求球形支撑表面必须耐磨和适当润滑。如果润滑不良，球节间会发生磨损和金属疲劳，严重时，直接危害汽车的行车安全。图3为汽车转向直拉杆总成。

图3 汽车转向直拉杆总成

2.2.2 球头销的磨损机理分析

球头可以实现多方向往复的转动，球头销的球头与球头座部件间的接触压力很大。既有上下运动，也有转动；既受推力，又有轴向力，还可能产生微动。因此，要求球形支撑表面必须耐磨和适当润滑。如果润滑不良，球头与球头座就会由混合摩擦变为干摩擦，从而球节间会发生粘着磨损和金属疲劳。

转向拉杆的失效与球头销的机械性能有着密切的关系。球头销工作时，当球头销运动到极限位置时，其轴颈与轴头碗相接触并发生干涉。在极限位置时，其受力情况如图4所示。

图4 球头销运动时受力图

其中：M点为球头销和球头销座结合处，N为球头销颈部与颈碗干涉处，F为转向力，当球头销运动到极限位置时，与球头销碗发生干涉，经过反复摩擦导致球头销轴颈逐渐出现划痕，继而出现应力集中、疲劳裂纹现象，甚至可能发生整体断裂。

2.2.3 处理措施

现在球头销的球头座与球头材料多是钢（20CrMnTi）—塑料（聚甲醛）。一方面可以对球头销采用新材料或者采用先进的加工工艺,提高球头销的疲劳强度,延长其使用寿命，比如合理调节铁、碳、铬、锰、硫、磷、硅等各成分的含量。

另一方面使用正确的润滑脂进行润滑，根据其工况，球头销润滑脂由12-羟基硬脂酸锂皂稠化全合成油并加入优质抗氧剂、防锈剂、极压抗磨剂制成，具有优异的低温性能、防锈性和耐磨黏附性能，以及良好的耐高温性和氧化安定性。

2.3 万向节的摩擦行为研究

2.3.1 简介

万向节即万向接头，是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的 “关节”部件。万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。十字轴式刚性万向节由万向节叉、十字轴、滚针轴承、油封、套筒、轴承盖等件组成，如图5所示。

图5 十字轴式万向节总成

2.3.2 万向节磨损机理分析

在工作中，十字轴万向节会因传动轴的高转速而承受较大的扭矩和冲击负荷，同时，十字轴和滚针轴承间也承受较大的交变应力。通常在使用过程中，万向节十字轴上的滚针轴承不是作旋转运动，而是摆动。其载荷呈交变的周期变化，在大的交变应力作用下，对润滑脂要求有良好的极压性。否则，滚针与十字轴颈之间就会在高压下处于近似干摩擦状态，从而产生粘着磨损。

另外，由于万向节总成上的滚针轴承在传动轴摆角较小的使用状态下，滚针轴承与十字轴轴颈之间反复地在小角度范围内摆动，当十字轴与轴承径向游隙随着磨损扩大时，易使产品集中载荷，集中在载荷大的地方就过早地产生疲劳裂纹，因而发展成为大面积的疲劳剥落，特别是在十字轴轴头处，由于应力集中影响，其受载部位的倒角几乎全部被啃掉；同时观察到大多数滚针表面都存在麻点，麻坑和大面积疲劳剥落，甚至造成滚针断裂，即产生疲劳磨损，如图6所示。

图6 滚针的疲劳磨损

2.3.3 处理措施

应定期给万向节加注齿轮油进行润滑，因为齿轮油具有如下优点。

（1）齿轮油具有适当的粘度，油不致于因离心力从接触面甩掉，并且由于油膜强度较高，能形成良好的弹性动压润滑。

（2）齿轮油具有优良的油性和极压性，能保证在压力很高的工作条件下，也能建立起边界润滑膜。

2.4 汽车转向器的摩擦行为研究

2.4.1 简介

转向器的作用是把来自转向盘的转向力矩和转向角进行适当的变换（主要是减速增矩），再输出给转向拉杆机构，从而使汽车转向，转向器有多种类型，如齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式等。

以齿轮齿条式为例，它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向，如图7所示。

图7 齿条齿轮式转向器

2.4.2 转向器磨损机理分析

汽车在工作时，尤其是在不好的路况行驶或者急转弯的情况下，转向器连续工作，可能会因温度升高，破坏润滑油的油膜，从而使齿面金属直接接触，并在随后的相对滑动中，相互粘连的金属沿着相对滑动方向相互撕扯而出现一条条划痕。从而产生粘着磨损。

另外，汽车在反复转向时，齿轮还会受到较大弯曲内应力，在反复交变力、齿面摩擦力、循环接触应力反复作用下，在齿面或其表层内会产生微小的裂纹，这些微裂纹继续扩展，相互连接，形成小片并脱落，在齿面上出现细碎的凹坑或麻点，即产生疲劳磨损。

2.4.3 处理措施

首先在齿轮加工后后进行高频淬火并回火，保证齿部及齿面硬度符合使用要求。另外，要对转向器定期进行人工润滑，并且要选用正确的润滑脂，石墨钙基润滑脂中的ZG-S润滑脂。

2.5 转向节的摩擦行为研究

2.5.1 简介

转向节又称“羊角”，是汽车转向桥中的重要零件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向。转向节的功用是传递并承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度，如图8所示。

2.5.2 转向节磨损机理分析

汽车转向节主要的失效形式就是主销断裂，现在汽车的主销材质多是45号钢。随着汽车在启动、转弯、颠簸、急刹车等多种恶劣工况产生的交变应力的作用，转向节与衬套之间的润滑脂被挤出，造成粘着磨损。

另外转向节主销长期承受冲击载荷作用。载荷忽大忽小，裂纹经多次张开闭合开始扩展。而随着裂纹的扩展，主销的有效截面逐渐减小，当接触应力激发起内应力超过有效面积的剪切屈服强度时，就发生了断裂。

2.5.3 处理措施

首先定期在主销与衬套之间加注黄油进行润滑。

另外，如采用45 号钢做转向节主销，应先进行调质处理，淬火介质可以采用专用的淬火油，冷却速度一般在102℃/s，这样可以避免冷却速度过快而开裂，得到心部硬度控制在 28～32 HRC 的主销，使主销有足够的强度和韧性；再进行高频感应淬火；最后进行低温回火来消除热处理带来的残余应力。通过这一工艺过程不仅使表面获得回火马氏体，保证了表面硬度、硬化层的厚度分别达到相应的要求，提高了耐磨性。