浅谈某越野车转向摆臂轴总成可靠性设计

沈阿荣，刘伟建，刘常青



浅谈某越野车转向摆臂轴总成可靠性设计

沈阿荣，刘伟建，刘常青

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院军品研究所，陕西 西安 710200）

文章通过对某越野车型转向摆臂轴总成的改进设计，既要保证转动灵活轻便，又要保证防松可靠。改进后的设计方案提高了转向系统和整车的可靠性。为同类车型的结构设计提供参考。

转向系统；摆臂轴总成；防松

前言

转向摆臂轴总成是转向系统中保证车辆转角达到设计值的重要总成，包括转向摆臂轴壳体，转向摆臂轴，轴承，轴承间隙调整装置，润滑装置及上下封盖等。转向摆臂轴总成在转向系统中具有传递力矩，实现转向摆臂的回转运动等功能，并通过螺栓与车架相连。

转向摆臂轴总成应达到以下要求：

（1）转向摆臂轴转动灵活，无卡滞；

（2）转向摆臂轴定位可靠，无轴向窜动；

（3）转向摆臂轴与摆臂连接可靠，无相对运动；避免磨损。

1 改进前的摆臂轴总成

1.1 改进前的摆臂轴总成结构

摆臂轴壳体采用铸造的生产方式，改进前的摆臂轴总成壳体内装配有角接触关节轴承GAC035S和GAC050S各一个，两个轴承采用“背靠背”的布置方式，并通过1型非金属嵌件六角锁紧螺母进行防松锁紧，上下封盖通过毡垫进行密封。

1 摆臂轴壳体 2毡垫 3端盖 4 10六角头螺栓 5弹簧垫圈 6摆臂轴 7唇密封 8角接触关节轴承（GAC050S） 9 滑脂嘴 11封盖 12 垫板 13 1型非金属嵌件六角锁紧螺母 14角接触关节轴承（GAC035S）

改进前的摆臂轴总成内部剖视结构图如图1所示，摆臂轴应力和变形情况如图2所示。

图2中，除尖锐点外，摆臂轴的最大应力值max=239.31，摆臂轴采用42CrMo材料，该材料的屈服极限s=820；安全系数=s/max=3.43。

图2 改进前转向摆臂轴应力和变形情况

1.2 失效模式

装配有该摆臂轴总成的车辆在进行越野路（试验里程大约1500km）测试时，发生摆臂轴断裂故障，如图3所示。

图3 试验中摆臂轴发生断裂

1.3 失效原因

通过观察断口，可以看到该轴受交变载荷作用，断口可见明显的贝纹线，断面区域平整，较新鲜，属于疲劳断裂，疲劳扩展区面积较小，最后瞬断区面积较大，表明断裂瞬间所受应力较大。理化结果显示故障件的材料和热处理均符合设计要求。检查摆臂轴上端的嵌件螺母，发现螺母已经松退，根据试验情况和断口分析，可以判断是因为摆臂轴受到轴向冲击时，1型非金属嵌件六角锁紧螺母防松失效。由于装配角接触关节轴承间隙调整较困难，间隙过小，摆臂轴转动力矩大，转动不灵活；间隙过大，轴承内圈相对外圈有轴向和径向两个方向的自由度，导致摆臂轴受到弯矩作用，服役期间此处萌生裂纹，引发疲劳断裂失效。需要对该摆臂轴总成进行设计改进。

2 改进后的摆臂轴总成

2.1 改进措施

通过对失效模式进行分析，首先需要解决摆臂轴的防松问题。将原来的1型非金属嵌件六角锁紧螺母改为左、右旋螺母配对使用。由于右旋螺母的松退方向是左旋螺母的拧紧方向，而左旋螺母的拧紧又阻止了右旋螺母的松退，所以左、右旋螺母配对使用可以有效的防止摆臂轴在冲击和振动作用下发生松退。其次需要解决轴承间隙调节困难的问题。原结构在防松和转动灵活方面很难二者兼顾，装配中，为保证转动灵活又要防止防松措施失效，要求装配中检测每个摆臂轴的转动力矩，需要反复调整螺母的拧紧力矩，不仅需要很多时间，也很难达到设计效果。如果能够保证两个轴承内圈的间隙在一定范围内，就可以不需要测量摆臂轴的转动力矩，直接控制防松螺母的拧紧力矩来兼顾转动灵活和防松两个要求。因此重点控制壳体上的两个轴承外圈安装凸台的尺寸公差，并通过计算内圈之间的距离，控制中隔圈的高度，将轴承内圈的间隙固化在合理的范围内。通过台架试验测试，只需将轴承上端的右旋螺母的拧紧力矩控制在150 N.m±20N.m之间，就可将转向摆臂轴的转动力矩控制在5N.m±3N.m，使摆臂轴转动灵活平稳。同时将原角接触关节轴承改为同样可以承受径向和轴向联合载荷的单列圆锥滚子轴承，并将两个轴承的规格统一，既可减少轴肩处的应力集中，也可减少零件规格，从而提高摆臂轴的寿命。改进后的方案，简化了装配反复调整过程，提高了装配效率和装配质量。

改进后的摆臂轴总成结构如图4所示。

1唇密封 2下端盖 3摆臂轴壳体 4摆臂轴 5上端盖 6六角头螺栓 7左旋螺母 8右旋螺母 9单列圆锥滚子轴承轴承（33010）10中隔圈

图5 一桥转向摆臂轴应力和变形情况

改进后的摆臂轴如图5所示，忽略尖锐点后，转向摆臂轴的应力最大值max=110.19，最大变形量约为0.21mm，安全系数=s/max=7.4。

通过有限元分析，改进后的摆臂轴安全系数较改进前提高了约116%，大大改善了该摆臂轴的强度和刚度要求。

3 验证效果

改进后的结构，经过装车验证，顺利通过3万公里可靠性试验，未再出现摆臂轴断裂或松脱等故障，达到了设计要求，提高了转向系统和整车的可靠性。

4 结束语

通过对摆臂轴总成暴露的问题进行分析整改，有效的解决了该类转向结构存在的安全隐患，不仅简化了装配时间，也大大提高了该总成的可靠性，为同类车型的设计及变型车的开发提供了理论依据和设计参考。

[1] 汽车构造.[M]机械工业出版社.

[2] 机械设计手册.[M]化学工业出版社.

The Reliability Design Of The Steering Shaft Systems On The Off-Road Vehicle

Shen Arong, Liu Weijian, Liu Changqing

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd Institute of Automotive Engineering R&D Commercial Vehicle R.& D.Department., Shaanxi Xi'an 710200）

In this thesis, we make the revised design of the steering shaft systems,not only flexible rotation but also locking reliable. The revised design improve the reliable of the steering system and the vehicle.The thesis provides the reference to the similar structure designing.

steering systems; steering shaft systems; lock

A

1671-7988(2018)18-202-02

U462.1

A

1671-7988(2018)18-202-02

CLC NO.: U462.1

沈阿荣，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院军品研究所。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.067