商用车转向油泵壳体断裂故障分析及改进

雷洪闯 赵彦兵 孙武 安慧平

摘 要：对转向油泵壳体进行有限元分析，找出壳体断裂的原因，提出改进建议。

关键词：转向油泵;有限元分析。

0 引言

动力转向油泵，是液压助力转向系统的动力源，其产品质量的优劣直接决定了车辆转向系统的工作安全。随着车辆载重的不断增加，车辆转向轴的载荷越来越重，转向系统故障率也越来越高。各主机厂与转向油泵厂家采取了一系列措施，如增大系统压力，这极大的改善了车辆满载原地转向手感和系统发热问题，但却出现了油泵泵体断裂的问题。

本文主要论述通过对转向泵壳体有限元分析，找出转向泵壳体因压力提升而断裂的原因，同时进行改进。

1 项目背景

2017年，我们同东风公司一起对某车型转向系统进行了重新标定，经协商，最终将系统压力由原来的12MPa提升至14.7MPa，解决车辆载重由原来的12t增加到14t出现的异常故障问题。经验证，车辆满载原地转向手感和系统发热问题有极大的改善。但在对改进方案进行小批装车验证时，出现了油泵壳体断裂的问题，如图1所示。

2 油泵壳体断裂故障原因分析

转向系统负载属于冲击载荷，在车辆直行时，油泵压力较低，当车辆原地转弯时，油泵压力较高，当方向盘打到死角时，油泵压力最大。

从图1可以看到，图中红色部分是高压区，黄色部分是低压区。油泵后端盖安装在油泵体壳内，为间隙配合，其左端承受弹簧力和液压力，右端用弹簧卡圈限位固定在泵体内，油泵壳体断裂位置为弹簧卡圈槽位置。

通过分析故障件断口，并没有发现有铸造缺陷，初步判断油泵壳体断裂的原因是压力提升导致油泵壳体强度不够引起的。

简单规则的结构件强度校核相对容易，工程技术人员主要通过理论计算来校核机械零件的强度。但对于结构复杂、受力状况多变的零件，计算就相对困难。特别是在液压领域，其受力为液压力，其力的大小和方向与流体的流道、流速、流态有很大关系，很难准确计算。所以在液压元件设计领域，泵体强度多是凭技术人员的工程经验去设计，很难有准确的理论依据。随着计算机辅助工程（CAE）技术的兴起，利用计算机辅助技术求解分析复杂工程和产品的结构力学性能成为可能。

本次壳体断裂故障分析，就借助有限元分析手段对该款油泵的结构强度进行分析，查找油泵壳体断裂的根本原因，以便制定整改措施。

3 泵体强度有限元分析

3.1 根据产品组成结构及参数，建立有限元模型

3.2 根据受力状况和约束关系计算泵体强度

根据以上参数建议有限元模型，各接触面之间全部采用Small Slide连接，摩擦系数0.2，约束螺栓孔表面。根据油泵的负载情况，分别对油泵后盖施加0.85Pmax、1Pmax及1.175Pmax负载力，然后对泵体强度进行计算，找出薄弱点，分析断裂原因。

应力云图如图2所示：

泵体后端有四个应力较大位置，A、C位于密封圈槽，B、D位于挡圈槽，其中A、B位于高压腔的卸压孔附近，C、D位于挡圈开口处附近。

从表2可以看出，A、B两位置的最大应力比较接近，位于挡圈槽的B位置略大些，而挡圈槽D位置的应力比密封圈槽C位置大20 MPa，在100%Pmax条件下，D达到261MPa。在负载为117.5%Pmax时，D点拉应力达到308.7MPa。对Φ30的HT300试棒材料检测，抗拉强度极限不低于300MPa。可见，在油泵超载时，泵体后端极限应力已超过材料需用应力，存在断裂风险。

由此可见，油泵体壳后端断裂的原因是由于泵体强度设计不能满足压力提升的要求，存在风险。

4 结论及建议

通过以上分析，需增加油泵壳体强度。因该油泵布置在发动机上，直径方向没有增大的空间，只能通过增加油泵壳体卡圈槽到后端面的长度。通过有限元分析发现：把油泵壳体尾部加长4mm后，在100%Pmax下，最大應力187MPa。目前材料能够满足强度要求，见图3。

最终结论：将油泵后端加长4mm，其它尺寸和材质不变更，能够满足设计要求。改进后的样件做耐久试验，未出现壳体断裂。

参考文献：

[1]机械设计手册.第6卷/机械设计手册编委会编著，第三版[M].北京：机械工业出版社，2004（08）.