（同濟大學，上海）

轉(zhuǎn)向泵傳動軸斷故障分析

敖萍萍

（同濟大學，上海）

對客車在使用過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵傳動軸斷故障進行了分析，指出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有穩(wěn)流卸壓裝置是導致其斷軸的主要原因。在分析導致斷軸的各種可能原因的基礎上，提出了改進措施。

轉(zhuǎn)向油泵 穩(wěn)流泄壓 斷軸

1 前言

汽車轉(zhuǎn)向泵是汽車動力轉(zhuǎn)向系的動力源，是一個關鍵部件，它的性能及可靠性關系到能否準確、輕便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)向和保證行車安全。

2 故障現(xiàn)象

某公交公司在2009年出現(xiàn)了6臺轉(zhuǎn)向泵斷軸故障，引起上柴公司的高度重視。該泵直接由發(fā)動機驅(qū)動，從斷軸的轉(zhuǎn)向泵故障件看，該軸屬于疲勞斷裂，且轉(zhuǎn)向泵傳動軸銅套普遍出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。圖1為斷軸的轉(zhuǎn)向泵拆檢情況，以及斷軸端面照片。

出現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵斷軸的可能原因有如下幾點：（1）轉(zhuǎn)向泵本身的質(zhì)量問題，軸的強度不夠或者加工有尖角導致應力集中；（2）軸受到的外力超過其疲勞極限。

該轉(zhuǎn)向泵為成熟產(chǎn)品，已在市場上連續(xù)多年大批量使用。該市場使用轉(zhuǎn)向泵從2008年起報修方向重比較多，2008年年底曾針對轉(zhuǎn)向泵軸向漏油導致方向重故障率高作過質(zhì)量改進，主要提高油封耐高溫性能（即油封在高溫下不變形，仍能起到密封作用），該改進措施實施后市場上軸向漏油導致的方向重報修明顯降低，其他未作任何變動。

圖1 轉(zhuǎn)向泵故障圖

3 故障分析過程

先查轉(zhuǎn)向泵本身是否有質(zhì)量問題：分別送檢2007年5月和12月，以及2008年12月未斷軸轉(zhuǎn)向泵傳動軸以及斷軸轉(zhuǎn)向泵傳動軸同部位做金相分析，抽查結(jié)果顯示所斷軸圓角處滲碳層和其他幾個未斷軸的圓角處的一致；測試斷面層硬度，結(jié)果顯示幾個軸各層面硬度比圖紙要求略低，但基本一致，先排除軸本身強度變化可能引起多個斷軸出現(xiàn)的可能。

再查傳動軸過渡圓角加工是否存在問題，放大故障件發(fā)現(xiàn)，該圓角加工的確不符合圖紙要求，但該道工序已經(jīng)是改進過的，改進之前加工該處還存在尖角也未曾出現(xiàn)斷軸故障現(xiàn)象，且斷口具有明顯的多源扭轉(zhuǎn)斷裂特征，排除應力集中導致的斷裂，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向泵過渡圓角放大圖

另外同類型的轉(zhuǎn)向泵在其他市場使用也未出現(xiàn)如此集中的斷軸報修，先排除泵本身質(zhì)量原因引起的同時批量斷軸。

為查明轉(zhuǎn)向泵在整車匹配方面是否存在問題，走訪反映出現(xiàn)斷軸的公交公司。經(jīng)了解，該車型液壓系統(tǒng)多年保持不變，唯一變動就是方向機于2008年始進行了國產(chǎn)化。

照此推理，若是由于方向機改動引起的，那應該從2008年開始就會出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象，實際情況是到2009年才出現(xiàn)。此外應查明國產(chǎn)化方向機和進口方向機之間的主要區(qū)別，并判斷這是否為造成斷軸的根本原因。

通過對比分析國產(chǎn)方向機及進口方向機，發(fā)現(xiàn)如下最大差別是，進口方向機有穩(wěn)流卸壓裝置，而國產(chǎn)方向機則沒有。

4 轉(zhuǎn)向泵斷軸原因分析及驗證

當轉(zhuǎn)向泵工作時，流量控制閥中的滑閥有一定開度，使流量達到規(guī)定要求，多余油液溢出，回到泵的進油腔內(nèi)，即使泵的轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，泵的輸出流量也不會因此而增加，防止汽車高速行駛時方向盤發(fā)飄。當由于某種原因使動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力超過泵的最高工作壓力時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全閥打開，全部油液溢流，對系統(tǒng)起到保護作用。

由于原先匹配該整機時考慮到整車的液壓系統(tǒng)已有穩(wěn)流卸壓裝置，因此沒有選用帶有卸壓閥的轉(zhuǎn)向泵。2008年選用的國產(chǎn)化方向機沒有穩(wěn)流卸壓裝置，此時轉(zhuǎn)向泵繼續(xù)使用原先無卸壓裝置的轉(zhuǎn)向泵，整個液壓系統(tǒng)沒有了穩(wěn)流卸壓功能，導致轉(zhuǎn)向時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵的工作壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，二者區(qū)別如圖3所示。

圖3 進口、國產(chǎn)方向機對比

由于該轉(zhuǎn)向泵直接由發(fā)動機驅(qū)動，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高時，轉(zhuǎn)向泵的（齒輪泵結(jié)構(gòu)）流量增加。

式中，

Q——轉(zhuǎn)向泵流量；

C——流量系數(shù)；

A——滑閥截面積；

△p——油壓差。

由流量方程可知，轉(zhuǎn)向時，流量Q不斷增加，由于沒有穩(wěn)流卸壓功能，Δp增大，液壓油被繼續(xù)壓縮，會直接導致發(fā)動機功率消耗過多，轉(zhuǎn)向泵機件磨損增大，并使橡膠油管破裂，油缸密封圈及液壓泵主動齒輪軸上的油封損壞。

圖3 轉(zhuǎn)向泵流量與轉(zhuǎn)速關系

2008年沒有出現(xiàn)批量斷軸可能和原先的油封材料有關系。原先油封材料為丁腈橡膠，不耐高溫，當液壓油壓力上升時，溫度同時升高，造成丁腈橡膠失效，失去密封功能，導致液壓油從軸向卸壓，從而避免了轉(zhuǎn)向泵軸承受過大的作用力而造成斷軸可能；油封改用氟橡膠后，由于氟橡膠耐高溫性能比丁腈橡膠好，在高溫下能繼續(xù)起到密封作用，使動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力超過泵的最高工作壓力，引起轉(zhuǎn)向泵軸的斷裂。

為了驗證上述的分析，對液壓系統(tǒng)的工作壓力進行對比測試，在同一輛汽車上進行空載原地轉(zhuǎn)向試驗，測量這2種液壓系統(tǒng)的最高瞬間壓力：無卸壓功能轉(zhuǎn)向泵，壓力高達28 MPa，超出25 MPa的極限壓力；而帶有穩(wěn)流卸壓閥的轉(zhuǎn)向泵，進行同樣操作，其最高壓力不超過13 MPa。由此可以做出判斷，轉(zhuǎn)向泵軸斷裂是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有卸壓閥，轉(zhuǎn)向泵過載而造成的。

5 結(jié)論

1）從轉(zhuǎn)向泵本身質(zhì)量、使用環(huán)境等各個角度，經(jīng)過金相分析、用戶走訪以及試驗結(jié)果分析判斷，斷軸主要原因是轉(zhuǎn)向泵工作壓力過高引起。

2）轉(zhuǎn)向泵工作壓力變高是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向機國產(chǎn)化后沒有了穩(wěn)流卸壓功能，而轉(zhuǎn)向泵沒有相應改進，整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無泄壓裝置，從而導致壓力偏高，轉(zhuǎn)向泵軸出現(xiàn)疲勞斷裂。另外銅套發(fā)黑和轉(zhuǎn)向泵壓力陡增有很大關系。

3）2008年的泵傳動軸斷裂比較少和漏油有關，2008年轉(zhuǎn)向泵漏油可以降低泵的工作壓力，減少斷軸現(xiàn)象的發(fā)生。

Analysis on Shaft Fracture of Steering Pump

Ao Pingping
（Tongji University,Shanghai 200093,China）

After analyzing the failure of the shafts of steering pumps used on buses,the main reason leading to broken shaft was found to be that the steering system had no stable flow pressure relieving device.. The solution for the issue based on the analysis on possible failure causes is put forward.

steering pump pressure relief for steady oil flow shaft fracture

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.013

來稿日期：2011-08-01

敖萍萍（1984－），女，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機可靠性設計及質(zhì)量改進。