郭建娟，張 旭，韓小玲，崔向利，段國柱

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

某車油氣懸掛裝置采用固定雙缸筒式結構.其中油缸與氣缸一端通過連接體連接，另一端分別與殼體固連，主活塞、浮動活塞隨著車輪的升降分別在油缸、氣缸內作往復運動.該結構緊湊可靠，有效防止了車輛在高速行駛過程中缸體可能產生的擺振現(xiàn)象.在樣車進行制動試驗過程中，某輪位油氣懸掛裝置連接體發(fā)生破裂現(xiàn)象，連接體底部碎成多塊，同時浮動活塞在連接體破裂時崩出，懸掛失效.

1 連接體外觀觀察

連接體新品外觀見圖1，連接體破裂后斷口見圖2.將連接體碎片復原后的形貌見圖3，可見裂紋沿缸底內圓角擴展，經(jīng)橫向油道所在凸臺斷裂，缸底破碎成多塊.連接體整體未見明顯塑性變形，各裂紋配合面閉合性良好，在缸底表面存在多處表面磕碰傷.另外在缸底殘片的內表面可見半圓形光亮的撞擊痕跡，圓弧尺寸與活塞圓周一致，圓弧并非位于缸底正中，而是處于缸底的一側，撞擊凹痕經(jīng)過缸底中心的油孔，見圖4.破裂氣缸內活塞整體完整，無明顯開裂破碎現(xiàn)象，只在活塞兩端存在明顯磕碰傷，見圖5.

圖1 連接體新品外觀

圖2 連接體破裂斷口

圖3 連接體碎片復原

圖4 連接體底部撞擊痕跡

圖5 活塞外觀

2 連接體破裂過程分析

2.1 外觀推斷破裂過程

連接體破裂存在兩種可能:1)連接體在工作壓力下自身發(fā)生破裂失效;2)因其他因素導致油壓快速下降，活塞沖擊連接體而導致其破裂失效.這兩種情況下連接體破裂的肇事件不同，因此，為了辨別連接體屬于肇事件還是受害件，根據(jù)各部位的損傷痕跡對連接體的失效過程進行分析.觀察圖4、圖5發(fā)現(xiàn)連接體與活塞損傷存在以下特點:1)活塞圓周面未見明顯損傷，因此其在連接體失效過程中應該保持在缸體內作正常軸向運動;2)活塞頂部與連接體撞擊痕跡均偏于缸底一側，因為前面已判斷活塞為正常軸向運動，假設連接體是被活塞撞破的，活塞與缸底的撞擊痕應該位于缸底正中，因此假設不成立.由此基本可以推斷在緊急制動試驗過程中，連接體內油壓驟增，連接體首先發(fā)生破壞.

2.2 有限元分析

為驗證上述推斷，對連接體進行了45 MPa高壓下的有限元分析計算.計算結果見圖6和圖7.連接體材料選用ZG40Cr，鑄件經(jīng)調質處理，熱處理硬度要求28～32 HRC，δ5不小于15%，ψ不小于20%，強度極限為670 MPa.圖6示出了在45 MPa下連接體的最大應力值663 MPa發(fā)生在連接體底部內圓角處.在45 MPa油壓下連接體可能首先從連接體底部內圓角處發(fā)生破壞，圖7示出了連接體結構反面的應力分布圖.有限元分析結果進一步表明了前述推斷的合理性.在油壓驟增的制動試驗過程中，連接體首先在底部并沿油道凸臺一側開裂，缸底外翻，油壓急劇下降，浮動活塞在氣壓作用下沖出與缸底發(fā)生碰撞，由于缸底已經(jīng)發(fā)生翻轉偏移，因此碰撞部位出現(xiàn)在油孔部位，缸底破碎，活塞飛出.圖8示出缸內油壓驟然增高缸底發(fā)生破裂的簡圖.

圖6 45 MPa油壓下連接體正面應力分布圖

圖7 45 MPa油壓下連接體反面應力分布圖

圖8 缸底發(fā)生破裂

3 連接體失效原因分析及解決措施

連接體斷口表面粗糙，屬于典型的脆性斷裂.對連接體進行硬度測定和室溫沖擊性能試驗，測得其硬度值為44 HRC，δ5小于1.5%，ψ小于3.2%，Aku小于7.4 J.綜合有限元分析結果，認為連接體破裂的原因主要有以下幾點:

1)連接體材料的硬度值實測為44 HRC，遠高于設計值28 HRC～32 HRC.對于脆性材料，由于其沖擊吸收功很低，更易產生微裂紋［1］.對于處于異常脆性狀態(tài)的連接體，對缺陷的包容能力很差，微裂紋一旦產生便會迅速擴展導致缸底脆性開裂，因此連接體材料處于脆性狀態(tài)是導致其破裂的主要原因.

2)通過有限元分析發(fā)現(xiàn)連接體結構設計局部缺陷導致外力施加后結構內部應力流會發(fā)生突變，這在一定程度上會降低整個結構的強度儲備.

為解決連接體失效問題，從以下兩方面著手:

1)從材料本身出發(fā)，嚴格按照設計要求對零件進行熱處理，并加強過程控制.

2)從結構設計出發(fā)，對連接體結構進行優(yōu)化設計，給出最佳結構形式，既滿足結構的強度要求又重量最小.

由結構優(yōu)化軟件對結構的材料分布進行優(yōu)化，優(yōu)化后每個單元的材料分布情況將在0～1之間變化.根據(jù)反復跌代計算、優(yōu)化后的單元密度值確定何處該留材料，何處該去材料.將連接體結構的螺紋連接區(qū)域、承壓區(qū)域和油道定義為非設計空間，其余區(qū)域定義為設計空間，將設計空間內的單元指定為設計變量，優(yōu)化目標為體積最小，也即質量最輕.優(yōu)化后的結構外形見圖9.考慮連接體結構的加工工藝性，連接體結構的改進方案見圖10.改進后的連接體已進行6000 km樣車試驗，沒有出現(xiàn)任何故障.

圖9 優(yōu)化后連接體結構示意圖 (材料密度值＞0.2)

圖10 連接體結構改進方案

4 結論

綜合斷口外觀觀察與有限元分析結果，確定了連接體失效主要是因為熱處理工藝有誤，使連接體處于異常脆性狀態(tài)，在油壓驟然增高時，連接體會從結構最薄弱處發(fā)生破裂.從材料加工和結構優(yōu)化設計提出連接體失效的解決措施.運用結構優(yōu)化方法給出了連接體的合理結構形式，改進后的連接體結構已完成6000 km樣機試驗，沒有發(fā)生故障.

［1］張 棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析 ［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.