多轴工程车辆转向系统故障分析及优化设计

豆龙 ，刘洲

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.中南大学， 湖南 长沙 410083；3.国家金属采矿工程技术研究中心， 湖南 长沙 410012)

1 故障现象

现有的工程车辆转向系统采用液压助力模式，以液压油缸带动转向拉杆，转向拉杆带动转向车桥的转向节臂助力转向，在设计转向系统时要充分考虑车辆工作各个工况，在使用分析软件进行分析时最大程度接近实际，如材料的非线性等，如分析不接近实际，会影响车辆安全行驶[1-2]。

某型号五轴车辆在平路行驶过程中，右转弯至极限时五轴摇臂轴发生断裂故障，见图1。针对该故障现象，对发生故障转向系统进行校核、优化设计，在保证安全的前提下，得到优化后的转向系统。

图1 故障现象

2 故障分析

2.1 转向助力匹配校核

现有转向系统配置为：第一桥、第二桥与第五桥为转向桥，转向桥上布置有双油缸，油缸大小为缸径70 mm、杆径32 mm，转向器采用滑阀式单回路，最大工作压力为 15 MPa，齿轮液压泵流量为50 mL/r。转向系统设计的目标为满足满载原地转向需求，并且液压≤系统最大压力15 MPa，此压力值也是转向器安全阀开启压力[3-5]。计算和试验测试结果见表1。

表1中的原地转向阻力矩Tt由转向车轮相对于主销轴线的滚动阻力矩T1、轮胎与地面接触部分的滑动摩擦力矩T2以及转向车轮的稳定力矩或自动回正力矩所形成的阻力矩T3组成[3]，即

表1 转向配置

且满足：

式中，G1为转向轴的载荷；a为滚动阻力的力臂或主销偏移距，通常货车的a值为40～60 mm；f为车轮的滚动阻力系数，计算式可取f=0.015；β为主销内倾角；γ为主销后倾角；为内、外转向轮的平均转角；φ为附着系数；x为滑动摩擦力矩T2的力臂，，其r、rj为车轮的自由半径和静半径。

由上述理论与实际值可知，转向压力实测值与理论值相当，系统安全阀开启压力为15 MPa，完全开启压力为16 MPa。

2.2 转向杆系受力分析

转向杆系布置如图2所示，五轴悬空极限状态（相同压力16 MPa），坐标系设置为：前后为X轴，横向为Y轴，上下为Z轴。

图2 转向杆系布置

计算可得各摇臂座X、Y及Z方向受力[6]，见表2。

表2 各摇臂座X、Y及Z方向受力

摇臂支座和摇臂轴的材料及抗拉强度与屈服强度见表3。

表3 摇臂支座与摇臂轴材料及力学性能

基于摇臂轴受力，通过有限元进行初始设计校核第六摇臂轴应力情况（第五轴悬空的极限情况），最大值为518.19 MPa，如图3所示。

图3 摇臂轴初始校核

为了更精确地进行有限元分析，通过细化网格，并考虑材料的非线性参数[7]，此时可得到最大应力为 880.59 MPa，并发生塑性应变，应变率为1.7%，如图4所示。

由图4可知，趋近极限工况时，摇臂轴载荷过大，超过材料屈服强度；仿真应力集中位置与故障部位吻合。

图4 摇臂轴精确仿真分析

3 实施方案

由上述分析可知，造成摇臂轴断裂的原因为第六摇臂轴受力过大，此时可以从两个方向进行优化设计，即更改摇臂轴材料提高其屈服强度和减小摇臂轴受力。

3.1 摇臂轴尺寸优化设计

将摇臂轴断裂处过渡圆角由 1 mm改为 3.5 mm，更改摇臂轴材料[8-9]，并更改第五轴上的两个70/32转向油缸布置[10-11]，详细情况见表4。

表4 摇臂轴优化对比

27SiMn与 42CrMoA两种材料的力学性能见表5。

由表5可知，42CrMoA焊接性优于27SiMn。由上可知，方案7和方案8均满足极限强度要求，且无塑性应变。

表5 27SiMn与42CrMoA两种材料的力学性能

3.2 五桥助力油缸布置优化设计

针对上述两种方案进行对比分析。

（1）原地转向，方向盘手力对比测试，横坐标为方向盘转动角度，单位为度，纵坐标为手力扭矩，结果如图5所示。

图5 单、双油缸转向时手力测试

第五桥转向时单、双油缸结构对方向盘手力无明显影响，实测方向盘转动力矩为10 N·m，受力为43 N，左右转动角度为900°（2.5圈）。

（2）一桥转向角对比。使用转向轮转向角检测仪测量五桥两种油缸布置下一桥转角[12-13]，双油缸布置时，转角为39°/27°；单油缸布置时，转角为36°/27°。单油缸布置左转向角略小，右转向角相当，单油缸壳基本实现原地转向角。

（3）五桥双油缸与单油缸满载油压对比。测试方法：方向盘按照“中位—左极限—中位—右极限—中位”的顺序进行[14-15]；工况一：原地转向，此时拉上手刹，测得数据见图6。

图6 工况一单、双油缸油压对比

工况二：原地转向，此时把手刹松开，具体见图7。

图7 工况二单、双油缸油压对比

工况三：蛇形行驶时转向，具体数据见图8。

图8 工况三单、双油缸油压对比

在上述三种工况下，单、双油缸布置测得的油压可知，原地转向时单油缸转向升压较快，高压区较大；行驶转向时，单油缸压力略高。

（4）单油缸与双油缸匹配计算。表6为采用单油缸与双油缸的匹配计算，由此可知50 mm缸径双油缸助力效果与 70 mm缸径单油缸助力效果基本相当，左右转向一致性更好。

表6 单、双油缸匹配计算

3.3 对策及验证

综合以上分析，造成摇臂轴断裂的原因为极限工况下摇臂轴受到的剪切力过大，故提出以下对策。

（1）摇臂轴材料由 27SiMn改为 42CrMoA，轴径改为60 mm，过渡圆角半径由1 mm改为3.5 mm，变截面取消淬火。

（2）减小五桥助力，五桥油缸替换为50/28缸径油缸。

经过上述优化后，车辆在极限状况下转向系统工作良好。

4 结论

（1）车辆在右转弯至极限位置时第六摇臂轴最大应力为880.59 MPa，超过材料27SiMn的屈服强度850 MPa，产生了塑性形变，为提高安全性，将材料改为42CrMoA，其屈服强度为930 MPa。并将圆角半径由1 mm改为3.5 mm，优化后的摇臂轴在相同工况下第六摇臂轴最大应力为845 MPa。故通过优化圆角半径可降低最大应力。

（2）减小第六摇臂轴受力的两个方案，即由原来的双油缸（缸径为 70/32）优化为单油缸（左边，缸径为 70/32）或双油缸（缸径为 50/28），两方案原地转向时对方向盘受力无明显影响，一桥转向角相当，对第五桥助力相当。为了使用原来车桥，采用左右对称的双油缸（缸径为50/28）布置。

（3）通过对第六摇臂轴的材料、圆角及五桥转向系统的优化，使得车辆在故障工况下第六摇臂轴的最大应力仅为585 MPa，安全性能显著提高。