顾佳

摘 要：某管柱电动助力转向中间轴节叉在扭转疲劳试验中发生开裂，通过节叉开裂的失效树逐一分析开裂原因，分析结果表明：节叉尺寸设计和螺栓拧紧力矩对节叉开裂具有较大影响作用。通过CAE模拟分析找出节叉应力薄弱点优化节叉尺寸。通过螺栓选型和节叉拔出力试验提升了螺栓防松性能并确定螺栓拧紧力矩的下极限。在节叉夹紧力和节叉强度中找到平衡点。通过两组耐久试验验证确定了节叉优化的有效性。

关键词：转向中间轴 节叉 开裂

1 前言

管柱电动助力转向系统因其效率高、成本低、节能环保、安装方便等优点，被普遍应用于中小型汽车上。其工作原理是，当驾驶员握紧方向盘转向时，扭矩传感器接收到驾驶员的手力矩，转动方向和转动速度，传感器把这些参数传输到ECU， ECU根据车速，驾驶模式等进行分析处理，指挥电机输出助力，助力经过蜗杆蜗轮放大，通过中间轴传递到机械转向机上。因此管柱电动助力转向的中间轴在工作中承受了非常大的助力扭矩［1］。中间轴系统由管柱端万向节总成（B点），滑动副总成，密封盖，转向器端万向节总成（C点）等组成[2]。对于管柱电动助力转向系统中间轴，对其强度，耐久性和可靠性提出了非常高的要求。

2 问题描述

某款管柱电动助力转向管柱，经计算中间轴的最大工作扭矩为100Nm。按100Nm进行的扭转耐久过程中，组1，2，3都发生了B点外节叉开裂情况，如图1所示，试验终止。试验汇总结果如表1所示。后未进行中间轴旋转耐久试验。

3 节叉开裂分析

针对开裂节叉进行了断口分析，综合宏观和微观相貌，断口呈多源疲劳断裂特征。通过中间轴DFMEA中的失效模式和头脑风暴法，汇总了中间轴节叉疲劳开裂的失效树如图2所示，通过对失效树中的各个选项逐一排查，确认节叉开裂失效原因和优化方案。

4 试验条件

4.1 试验参数设置

中间轴扭转耐久试验的输入参数有试验扭矩，加载频率，循环数和试验台架的空间布置。经查以上几点都按照要求进行。中间轴按照整车安装角度固定在疲劳试验台上，上节叉（B点）使用对应的管柱输出轴固定于伺服驱动，下节叉（C点）使用转向机对应的输入轴固定[3]。试验输入扭矩加载端是B端，这和中间轴在整车上的实际应用情况相一致。扭矩通过B端，经过中间轴滑移段，最后到C端。由于中间轴滑移段具有一定吸收降低振动的功能，所以扭矩传递到C端会平缓一些，这与试验结果B点节叉开裂相，C点节叉无开裂相吻合。

4.2 试验夹具状况

中间轴扭转试验的B，C端夹具经检测尺寸合格，试验后无严重磨损。

5 节叉设计

5.1 节叉花键设计

B点节叉花键对手件为客户制指定设计尺，花键设计按理论最小间隙0.01mm。B点节叉花键经止通规检测合格。

5.2 节叉结构尺寸设计

对B点节叉进行尺寸检测，结果合格。对B点节叉进行CAE模拟受力分析，在模拟由于螺栓拧紧产生加载夹紧力37.5KN的情况下，对节叉施加一定Nm扭矩，可以看到节叉的应力分布图，应力最大的地方位于节叉脚开槽末端。这与节叉开裂部位相吻合。由于节叉断裂处截面受限于装配工装的影响无法加厚加宽。尺寸上唯一能做调整的就是开槽的尺寸。我们就开槽尺寸及形状做了如下的两种优化方案，并且进行了CAE模拟受力分析对比，如图3显示可以看出，经过尺寸优化后的节叉加载一定扭矩后原开裂处的应力大幅降低。

5.3 节叉热处理设计

节叉毛胚是热锻成型材料为S45C.为保证一定强度和韧性，经过调制处理。硬度要求为HV220-280.断裂节叉金相检测显示断口附近未见异常夹杂物，裂纹源处组织为回火索氏体和少量半网状铁素体，基体组织和扩展区组织为回火索氏体，硬度检测HV256，符合要求。

6 连接螺栓

6.1 螺栓选型

连接螺栓根据客户要求，选用规格为M10*1.25 6H。主要尺寸经检测尺寸合格。当螺栓连接连接作用表面，施加一定的拧紧力矩，不同的摩擦因数分配到螺纹副，螺纹端面和夹紧力三部分的消耗功不同，一般情况，螺纹端面摩擦占50%，螺纹副摩擦占40%，10%扭矩转化为夹紧力，摩擦因数与夹紧力成反比[4]。由之前节叉CAE受力分析表明降低节叉夹紧力可以减少开裂面应力。所以优化选用了端面带筋的防松螺栓代替普通螺栓如图4，由于带筋面的摩擦因数较大，同样的拧紧力矩，螺纹端面的摩擦力矩消耗较大，同时端面带筋螺栓的防松脱能力更强。

6.2 螺栓拧紧力矩

客户定义的拧紧力矩为54-66Nm.如表1所示，66Nm拧紧力矩下B点节叉试验开裂，54Nm拧紧力矩下B点节叉未开裂。说明螺栓的拧紧力矩对节叉工作时的应力有巨大影响。从CAE仿真也表明，降低节叉断裂处应力的有效方法之一是降低夹紧力，也就是降低螺栓拧紧力矩。经确认，拧紧力矩的公差可以由+/-6Nm减小到+/-3Nm.但是降低拧紧力矩也会带来夹紧力不够耐久后螺栓松动的不利影响。为了便于测量节叉夹紧力，一般我们转换成测量节叉夹紧花键轴后拉脱力。根据经验，100Nm工作力矩的中间轴节叉拉脱力需要保持在8000N以上。验证试验选用优化后的防松螺栓，和優化后的B点节叉。多组不同拧紧力矩的试验结果如表2所示。试验结果表明优化后的节叉，配合防松螺栓的最小拧紧力矩为58Nm，节叉拉脱力依然保持在8000N以上。

7 方案试验验证

对经过尺寸优化后的B点节叉，配合防松螺栓，B点螺栓的拧紧力矩定为58Nm-64Nm.进行两项耐久试验。第一项扭转耐久试验考核中间轴强度，B，C点拧紧力矩3组上限1组下限，试验顺利通过，见表3。第二项旋转耐久试验用于考核中间轴抗磨损能力。B，C点拧紧力矩三组下限一组上限， 试验顺利通过，见表4。

8 结束语

本文针对某乘用车管柱电动助力中间轴旋转耐久试验B点节叉开裂问题，通过断口分析确定了节叉为疲劳断裂。通过失效树对节叉开裂的影响因子进行逐一分析。其中通过CAE分析对节叉的尺寸做了优化，通过理论分析和节叉拔出力试验，确认了防松螺栓对优化后节叉的最小拧紧力矩。最后对优化后的中间轴轴进行扭转耐久和旋转耐久试验验证，确认了节叉优化的有效性。

参考文献：

[1]Manfred H， Peter P. Steering Handbook [M]. Springer，Switzerland，2017，406-407.

[2]关文达，汽车构造（第二版[M]）.北京：清华大学出版社，2009.

[3]田双鹏. 浅谈汽车转向中间轴台架试验设计[J]. 时代汽车2021， 356（5）：98-99.

[4]彭守桃，李平. 汽车轮毂螺母拧紧扭矩分析及质量控制[J]. 汽车零部件2021， 15（2）：50-54.