汽车转向节开裂问题分析

徐圆　戴凯宁　王华君　张佳虹

摘 要：转向节是汽车底盘上的一个重要零件，承受着复杂多变的冲击载荷。汽车在试验场1万里左右前发生开裂。经过对转向节材质、匹配尺寸的检测、对标同类型转向节壁厚设计，故障复现，有效的锁定开裂的原因以及对产品设计进行改进提升，满足车辆使用要求。

关键词：转向节 开裂 分析

Analysis of automobile steering knuckle cracking

Xu Yuan，Dai Kaining，Wang Huajun，Zhang Jiahong

Abstract：Steering knuckle is an important part of automobile chassis， which bears complex and changeable impact load. The car cracked about 10000 miles before the test site. After testing the material and matching size of the steering knuckle， benchmarking the wall thickness design of the same type of steering knuckle， fault recurrence， effective reasons for locking cracking and improving the product design， the requirements of vehicle use are met.

Key words：steering knuckle; crack; analysis

1 引言

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。

2 问题描述

某项目A在盐城试验场进行车辆综合路试评价，车辆编号为11号车，在行驶里程17214Km时，右件下摆臂球头孔出现裂纹，故障件批次为7B01，如图1所示。

3 问题解决

3.1 转向节实物质量分析

对于问题分析，首选要确认实物质量是否满足图纸要求。乘用车制动系统中转向节一般为铸件、锻件为主，本次设计选用铸件模式，材料牌号为QT450-10，在断裂处进行本体取样，检测结果如表1。

参考实车装配，对转向节与球头的匹配尺寸按照图纸要求进行检测分析，测量结果如表2，除①号尺寸因配合后受力涨大，不做评价，其余均满足图纸设计要求。

3.2 转向节壁厚设计分析

完成转向节机械性能分析以及匹配尺寸检测，未发现转向节的质量问题，则需从产品的本身设计出发，对标同类型的车型、同类型的转向节产品，研究转向节壁厚的合理性，对比表3如下。通过对比数据，在同类型载荷的车辆下转向节大部分采用7min（mm）壁厚，初步怀疑转向节壁厚存在風险。

在转向节结构不变的情况下，采用CAE分析技术进行应力分析，选取材料弹性模量169Gpa，泊松比0.257，密度7060kg/mm3，抗拉强度450Mpa，屈服强度310Mpa。在不同的拧紧力矩下的CAE分析数据如图2，从图2中可以看出当拧紧扭矩为100N.m，CAE分析转向节球销最大应力超出材料屈服强度（≥310MPa），存在变形以及开裂风险，建议加强壁厚，或者减小拧紧力矩。对实车装配扭矩进行阶梯下降，其最大应力也不断降低，直至球销处理论拧紧力矩应在80.5N·m。

为了验证在超出额定扭矩下，采用球头锥孔下沉深度进行验证，当转向节在267.5N.m的时候锁紧，出现了球头螺纹高出螺母3牙，并产生裂纹，开裂部位形态与故障件相似，与CAE分析结果也相吻合。

3.3 试验更改及验证

经过对转向节尺寸、材质等分析，符合图纸要求，通过对相关件的排除，力矩、匹配尺寸等对标，通过调整转向节的材质以及更改其匹配尺寸，提高其材料屈服强度，主要更改表4。理论分析优化方案在同样的扭力下，应力减少15.3%，变形减少22.2%。在球头销孔边缘部门的局部最大应力为326.92Mpa，低于材料的最达的屈服强度。

为了对比优化前后实物的对产品性能的影响，尤其是与球头销配合处的影响，采用“锁紧力矩与球头锥孔下沉深度”的验证，选用开裂件同批次（7B01）的转向节与优化方案后的转向节（批次号7J01）进行对比，首先检测其理化性能，如表5，在理化性能都满足要求的前提下，进行对比，对比数据如表6。各阶段锁紧力矩下，球头锥孔下沉量7B01高于7J01，说明此次更改的性能是有效的。

4 结语

基于对标同类车型数据，进行仿真分析，优化产品结构，提高产品的理化性能以及配合尺寸，并通过实物验证，合理控制装配过程中的拧紧力矩以及装配方法。

参考文献：

[1]吴海平，梁富华.QT250-10左转向节断裂原因分析[J].现代铸铁，2007（6）：27-29.

[2]张博.浅谈QT450-10金相组织与力学性能的联系[J].冶金分析，2008（增2）：1320-1322.

[3]孙明海，李达.基于多体动力学和有限元理论的汽车转向节疲劳设计[J].设计，计算，研究，2010（3）：34-35.

[4]白杏哲，翁剑成，陈清奖，黄伟彬.反求工程在汽车转向节逆向设计中的应用[J].龙岩学院学报，2015（2）：40-43.

[5]樊坚兴，陈启略.汽车转向节断裂失效分析及预防[J]. 铸造工程，2016（3）：23-26.

[6]齐鹏远，徐悦波，刘伟杰.某重卡锻造转向节裂纹的分析研究[J].锻压技术，2016（4）：1-4.

[7]张勇.某项目汽车转向节强度分析[J].内燃机与配件，2017（10）：30-33.

[8]张兵，刘昌奎，孔志强，姜涛.汽车转向节断裂分析[J].失效分析与预防，2018（6）： 389-402.

[9]侯满哲，庞永俊，孙冰心.某电动汽车转向节危险工况受力分析研究[J].河北建筑工程学院学报，2019（6）：101-103.

[10]王建明.铸态高强度高韧性QT550-10汽车转向节铸件开发[J].内燃机与配件，2019（17）：136-137.