转向中间轴热害性能优化分析

周雪巍，王丽永，郭 俊，王月玲，刘阳峰 Zhou Xuewei，Wang Liyong，Guo Jun，Wang Yueling，Liu Yangfeng



转向中间轴热害性能优化分析

周雪巍，王丽永，郭 俊，王月玲，刘阳峰 Zhou Xuewei，Wang Liyong，Guo Jun，Wang Yueling，Liu Yangfeng

（北京汽车工程研究总院，北京 101300）

针对汽车转向中间轴热害过程中出现的失效不足现象，通过分析，优化排气歧管隔热罩，提升隔热效果，减小对转向中间轴的热辐射效应，并对优化后的性能进行CAE仿真和实车验证。

转向中间轴；热害；热辐射效应

0 引 言

转向中间轴作为传递驾驶员转向意图到车轮的部件，不仅具有减小路面传递给驾驶员噪声和振动的功能，还具有一定的扭转刚度及耐高低温性能。转向中间轴转向管柱及转向器布置在发动机机舱里，通风散热条件比较差，某些发动机排气歧管与中间轴布置在同一侧，距离较近，排气歧管产生的热量会辐射到转向中间轴上，通常转向中间轴耐温性能为-40～120 ℃，热害试验时会对转向中间轴造成破坏性影响，威胁行车安全。通过对一款转向中间轴布置优化，以及对发动机排气歧管隔热罩进行优化，解决了热害试验出现的问题。

1 问题描述

某车型在进行环境仓热害试验时，转向中间轴受热温度过高，在进行40 km/h，12%坡度工况试验时，上部温度达到137 ℃，花键部位出现尼龙及隔振套橡胶融化。环境仓热害试验标准参照GB/T 12542，具体试验条件、试验结果见表1、表2，转向中间轴布点如图1所示。

表1 环境仓热害试验条件

序号环境温度/℃车速/（km/h）坡度挡位空调 13814002HON（内循环） 2907.2%2HON（内循环） 3507.2%2HON（内循环） 4（怠速）0NAON（内循环） 5334012%4HON（内循环） 66010%4HON（内循环） 7最大扭矩4HON（外循环） 8额定功率4HON（外循环） 其他条件：湿度40%；光照1 000 W/m2；空调吹面模式，风量最大。 工况完成情况5个热平衡试验工况，正常完成。

注：2H为两驱高挡位；4H为四驱高挡位。

图1 转向中间轴布点

表2 环境仓热害试验结果

车速/（km/h）坡度/%挡位温度/℃ 140 02H 94.9 90 7.22H119.9 50 7.22H127.2 40124H137 60104H128.5

2 原因分析

该车转向中间轴失效的主要原因是由于转向中间轴距离排气歧管及三元催化器较近（25 mm），排气歧管表面温度较高，辐射到转向中间轴的温度较高，见表2（最高137 ℃），超过了最高耐热能力。

目前转向中间轴耐温性能为-40～120 ℃，中间轴滑动部位采用的是PA66尼龙涂层，橡胶减振套采用的是丁腈橡胶，最高耐温为120 ℃；排气歧管隔热罩结构设计不合理，如图2所示。

3 性能优化分析

针对问题，对排气歧管隔热罩优化，并调整转向中间轴走向，加大中间轴与三元催化器的间隙到40 mm左右，如图3、图4所示。

针对优化模型进行热害仿真分析以及力矩波动分析。

1）建立仿真模型进行CAE分析，如图5所示，仿真试验中转向中间轴最高温度由142 ℃降至110℃。

2）优化中间轴力矩波动校核，如图6所示。

如图7所示，管柱轴线（直线AB）与中间轴轴线（直线BC）夹角1为23°。

中间轴轴线（直线BC）与转向机输入轴轴线（直线CD）夹角2为17°。

则等效夹角为

因此整个管柱的力矩波动范围为cos～1/cos，因为为15.4°，所以输出力矩波动范围为0.96～1.04，如图6所示，力矩波动在4%以内，技术要求在5%以内，满足要求。

3）优化后热害试验结果见表3。转向中间轴在40 km/h，12 %坡度工况试验时，中间轴上部高温度点消失，最高温度点为107 ℃。

表3 环境仓热害试验结果

车速/（km/h）坡度/%挡位温度/℃ 140 02H 73.9 90 7.22H 89.9 50 7.22H 97.2 40124H107 60104H 98.5

4 结 论

1）转向中间轴一般布置在前机舱，如果离发动机排气歧管及三元催化器较近，需要考虑热害试验影响。

2）转向中间轴力矩波动主要影响操纵稳定性，所以转向中间轴的布置需要考虑减小力矩波动。

3）排气歧管隔热罩的密封性尽量要好，如果成本允许，建议采用3层隔热材料，提高热反射率。

[1]王霄峰. 汽车底盘设计[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[2]刘维信. 汽车设计[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

2017-03-28

1002-4581（2017）04-0019-03

U463.43

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.006