汽车转向限位系统失效分析及优化

曹亚东

摘 要：汽车转向系统是影响整车安全性的关键系统。文章通过运用因果分析图、设计校核计算等方法，分析某汽车转向限位系统失效的主要原因，通过优化，经试验验证效果良好。

关键词：转向限位系统；因果分析法；设计校核

中图分类号：U463.4 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）17-203-03

Abstract： Vehicle steering system is the key system that affects vehicle safety. In this paper， the main reasons of the failure of a car's steering limit system are analyzed by using the method of causality analysis and design， and the results of the test are proved to be good by the experiment.

Keywords： Steering limit system； Causality analysis； Design and check

CLC NO.： U463.4 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）17-203-03

前言

转向限位系统是确保汽车行驶过程中转向安全的重要组成部分。主要类型可分为车轮限位、车架限位、液压限位。此文被研究汽车属于车轮限位，其工作原理是通过安装在转向节上的限位螺栓限制车轮的最大内外转向角度，从而确保车辆行驶过程中的安全性。若该系统出现失效，将会对车辆的安全性能造成重大风险。

1 失效模式

某汽车转向限位属于车轮限位，进行20次极限转向操作后，经目测检查转向限位螺栓发生明显弯曲变形，造成转向限位系统失效，如图1所示。

2 原因分析

车轮限位属于被动限位，且限位冲击力仅由一根限位螺栓来承受，当受到大转角冲击时，如果限位螺栓存在质量问题，设计匹配不合理，均有可能导致限位螺栓在短工作周期内出现弯曲变形现象。根据转向系统组成和因果分析图，从人、机、料、法、环、测六个方面对限位螺栓弯曲变形的可能原因进行分析，如图2和图3所示：

通过以上分析，导致限位螺栓弯曲变形的原因如下：

1）限位螺栓产品质量问题

2）动转泵输出压力异常

3）动转泵匹配设计不合理

4）限位螺栓设计不合理

2.1 限位螺栓检测

2.1.1 尺寸及硬度检测

该螺栓型号为：3001109G5QZ，规格为：M12*1.25-6H，检测结果如表1：

根据以上检测结果，螺栓的尺寸和硬度均符合设计要求。

2.1.2 化学成分检测

该螺栓的材料为40Cr，对其化学成分进行检测，检测结果如表2：

根据表1和表2检测结果，均符合设计要求，螺栓本身没有产品质量问题，属于合格产品。限位螺栓质量不是造成变形的主要原因。

2.2 动转泵压力检测及匹配校核

限位螺栓的受力来源于动转泵产生的工作压力，动转泵压力是否正常和匹配合理性直接影响是否变形。该车匹配的动转泵型号为G0100-3407100A（玉柴），并有明确的输出压力标准，经检测，符合设计标准，具体如表3：

经校核，动转泵与方向机的流量差及压力差均在±10%以内，符合设计标准，动转泵压力匹配合理，具体如表4。

2.3 限位螺栓受力及安全系数设计分析

通过建立转向限位系统数模，根据设计要求，校核出限位螺栓理论受力角度，最终校核的角度：螺栓受力角为11°，如图4：

针对数模校核的受力角度，进行螺栓的受力安全系数计算：

具体计算过程：

1）受力=轉向节力矩×1000/螺栓力臂= 28214；

2）受力面积=π×（0.5×螺纹最小直径）2 = 8.4557×10-5

3）压力=受力×10-6/受力面积 = 333.7

4）抗弯截面模量=（π×螺纹最小直径4）/64 =5.69×10-10

5）弯矩=0.03×受力×tan（受力角度×π/180） = 164.5

6）弯曲应力=弯矩×螺纹最小直径×0.5×10-6/抗弯截面模量 = 1500.2

7）应力和=弯曲应力+压力 =1833.9

8）安全系数=材料屈服强度/应力和 = 0.43

通过计算校核发现限位螺栓设计的安全系数仅为0.43，未达到标准值（安全系数≥1）。

2.4 螺栓弯曲变形原因确认

由此可以得出最终结论，限位螺栓弯曲变形的主要原因：限位螺栓受力角度设计不合理。

3 优化方案及效果验证

针对分析螺栓变形的主要原因，进行设计优化：

1）调整螺栓受力角度，由原11°改为3°，达到安全系数标准值。

2）优化限位螺栓，规格由原M12*1.5改为M14*1.5，螺栓头部由圆头改为平头。

通过对更换新限位螺栓的车辆并进行极限转向试验验证，经验证优化后的螺栓未出现弯曲变形现象，通过验证整改有效。具体见图9：

4 结论

经过对转向限位系统的了解，运用因果分析图、建模并进行校核和计算分析，有效分析出限位螺栓的受力角度设计不合理是造成转向系统失效的主要原因，并通过设计优化和试验验证，有效解决了转向限位失效问题。

参考文献

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[2] 余志生.汽车理论.第二版[M]，机械工业出版社出版，2003.

[3] 张小虞，叶平.汽车工程手册[M]·基础篇.设计篇，北京人民交通出版社，2001.

[4] 张富山.质量改进工具箱：基本的手段.[M]中国计划出版社，2001.