矿用汽车转向节的故障分析与修理

矿用汽车转向节的故障分析与修理

李宝华 1 张勇 2 崔镇洪 3

内蒙古包头市包头钢铁（集团）有限责任公司 白云铁矿公路运输作业部内蒙古 包头市 014010

摘要：转向节是汽车的重要基础部件,其使用是否可靠,直接危及人、车安全。特别是矿用汽车。该630E型车左右转向节构件(俗称羊角)是该自卸车上最关键的部件之一,不仅承受前轴负荷,而且承受转向、制动任务,使用工况恶劣,受力大而复杂,其使用可靠性直接危及人、车的安全。因此,转向节构件在我矿使用中出现的任何问题,我们都极为重视,并花大力气对其进行了分析研究,寻求可靠的解决方案,以保证其使用的可靠性及安全性。

关键词：汽车；转向节；故障

随着人们生活质量的不断提高，汽车保有量也在逐年的增加，汽车制造技术以及维修技术也在日益更新和进步，汽车转向系统由最初的机械转向系统逐步改进成为目前普遍应用的液压动力转向，再到电控液压动力转向再到目前的电子随速助力转向。转向节在汽车行驶过程中要承受复杂多变的冲击载荷，工况复杂，因转向节断裂造成的事故在市场上常有报道。因此，转向节耐冲击是转向节开发过程中的重点验证项，同时随着汽车轻量化的发展，转向节轻量化要求越来越高，主机厂对转向节要求更加严苛。

一、汽车转向系统的组成与工作原理

汽车车身由行驶系统、制动系统、传动系统、转向系统，因此转向系统非常重要，目前按照动力分类主要有：机械转向系统、动力转向系统及线控转向系统。转向系统的硬件组成部分主要有：方向盘转向柱可以电动或者机械、万向节、转向器可以电动或者机械。转向系统工作原理：驾驶员打方向时，转向支持开始，方向盘通过转向管柱，万向节，刚性的传递到方向机的扭矩传感器，扭矩传感器里面磁场信号通过芯片处理成电信号，再给到控制单元，同时控制单元根据转向扭矩、车速、转向角度和控制单元中的特性曲线计算出必要的支持扭矩，并且起动电机，转向机电机转动时给出转向角度信号给到轮速传感、发动机等模块方向盘上的力矩和支持扭矩的总和就是转向器上的有效扭矩，该扭矩来传动齿条。

二、汽车转向系常见故障原因

1、转向盘游隙过大的原因。①转向器部分。轴承磨损松旷；摇臂轴与壳体衬套磨损过甚，配合间隙过大；齿条与齿扇或螺杆与主销等运动副之间啮合间隙过大。②传动机构部分。轮毂轴承松旷；主销衬套磨损松旷，使配合间隙增大；摇臂、转向节臂、直拉杆臂等处固定大螺母松动；横、直拉杆处的球销及固定大螺母松动等。

行驶跑偏的原因转向控制阀堵塞，液压系统管路有赃物；液压系统中有空气；转向系机械系统故障；2前轮轮毂轴承紧度、轮胎气压、钢板弹簧弹力不一致；2前轮个别车轮制动发咬；转向器内齿条与齿扇啮合间隙不在啮合中间位置；车架和前轴弯、扭变形，使前轮定位失准。前轮摇臂的原因转向系各配合副松旷；前轮定位失准；车轮旋转质量不平衡；液压系统中混有空气；控制系统和液压管路过脏堵塞；转向控制阀损坏；转向扭杆损坏；机械系统故障。转向沉重的原因①机械转向器。在保养和维修作业中，对转向系各配合副装配、调整过紧，或事故性车辆机件严重变形；各运动配合副缺油(如转向器、球头销与球座间、主销与衬套等)。②动力转向器。动力转向油罐缺油；转向油泵驱动皮带张力不足；液压系统油压不足；液压系统管路堵塞或压力泄露；液压系统中有空气；转向系机械故障。

三、矿用汽车转向节

1、转向节结构。630E型车转向节构件包括转向轴和转向节臂。转向轴和转向节臂均采用铸造毛坯,经焊接连成一体,构成一个极为复杂的空间受力构件，其圆柱轴端采用花键经支承板与制动器相连,轴上装有一个成对配置的单列圆锥滚子轴承,使转向节构件与前轴制动器、前轮毂相连,这样就能使转向节构件承受来自地面的支承力、滚动阻力和制动力。其大端有一锥孔与前油气悬架杆筒锥端用螺栓紧固于一体,并与整车相连,从而约束了转向节构件沿X、Y 方向的位移和转动,使其仅能沿Z方向移动和旋转。焊成一体的转向节臂上有两个圆柱孔分别与转向动力缸、转向横拉杆相连以保证左右两轮同步转向。由此可见,转向节构件承受着汽车转向系统较大的负荷。

2、故障现象。转向节构件在矿山运行使用中,因其使用环境的特殊性,一般在5万h 内不允许出问题,特别在圆柱轴部位尤为重要。但德兴铜矿较早进口的16台630E-Ⅰ型电动轮自卸车,有6～ 8台车的转向节构件运行到1. 5万h 左右时,在转向轴与转向节臂的焊缝处相继开裂。裂纹从下向上、由外向内延伸,有的裂纹是浅表型裂纹,有的裂纹较深,最严重的已发展成穿透性裂纹,长度达总高度的1 /3左右,致使转向节构件早期失效,严重危及人、车安全。

3、故障原因分析

（1）材质的影响。因转向轴、转向节臂均采用高强度铸钢加工成形,所以其强度指标高,韧性指标低,在拉压随机载荷的作用下,这样的高强度钢对应力集中敏感性大,易产生疲劳破坏。

（2）结构尺寸的影响。从转向节构件结构尺寸来看,在开裂处,转向臂厚度为46. 5mm,采用大柱面,而转向节臂厚度为51mm,采用箱形结构。这样在转向轴与转向节臂相接处,即开裂位置的几何形状急剧变化,导致刚度突变。另外,由于结构所致,在转向轴与转向节臂相接处形成尖角,产生了较严重的应力集中,使疲劳强度降低。

（3）铸件毛坯及焊缝质量的影响。就转向轴来说,开裂处铸造面积大,铸造时易产生缺陷。特别是焊接的影响,因为材料碳当量高达0. 68,故焊接性能差, 存在着焊接缺陷和较大的焊接残余应力,这也是疲劳强度降低的主要原因。

4、修理措施。根据各转向节构件开裂程度,分别采取不同的措施。对已开裂且发展成穿透性裂纹的转向节构件,因其严重影响了锥孔与前悬架的安装,加之修复难度大,应作报废处理;对已开裂但裂纹不深的转向节构件进行修复;对尚未开裂的转向节构件进行加固预防。为此,采取了以下工艺步骤:彻底清除焊接处的油漆、铁锈、氧化皮;采用磁粉探伤,确保焊接处无裂纹等缺陷;焊材采用H08Mn2SiA. CO2 气体焊丝及CO2气体;转向节构件随炉缓慢预热至200℃后,立即在焊接处两侧200mm范围内预热至300± 30℃ ;补焊焊缝,搭焊加强筋。加强筋材料采用强度低的材料,一次性连续焊完;焊后立即加热至300℃后,再进200℃电炉保温2h,随炉冷却。温度应严格控制在200± 20℃范围内;磁粉探伤焊缝,确保焊缝无缺陷。为了提高开裂处的疲劳强度,达到提高使用寿命的目的,要求生产厂家加大焊接处圆柱面的厚度，臂厚由原46. 5mm加大至85mm,从而提高了圆柱面的刚度,减小了与转向节臂刚度的差异,避免了焊接时形成的尖角,有效地减少了应力集中的影响。

经现场使用经过修复的转向节构件在投入矿山使用3万h 以上均未发生开裂现象。根据该矿对转向节构件进行了结构改进,并在生产中投入使用以后,累计运行1. 5万h 以上也未出现任何裂纹,取得了良好的经济和社会效益,为矿山节约了一笔可观的费用。按进口价,每台自卸汽车节约人民币20万元;目前投入使用的630E型电动轮自卸车计,共可节约人民币320万元,并为今后改进类似的大型复杂的受力构件提供了行之有效的方法。

参考文献：

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