楊東光 李秋芳

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性試驗(yàn)失效分析

楊東光 李秋芳

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

本文以使用AlSi7Mg鋁合金、采用差壓鑄造工藝實(shí)際生產(chǎn)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)為例，針對(duì)零件在可靠性試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的失效問題，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料性能、試驗(yàn)原理、試驗(yàn)方案及試驗(yàn)工裝等進(jìn)行分析，依次排除影響產(chǎn)品試驗(yàn)壽命的各個(gè)因素，確定關(guān)鍵因素并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終使產(chǎn)品成功通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，確保該產(chǎn)品在裝車后的安全性。

鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié) 差壓鑄造 可靠性 試驗(yàn)分析

1 序言

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，它與汽車懸架、前車軸、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及制動(dòng)器總成相連，具有承載汽車前部載荷，支撐并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)汽車靈活轉(zhuǎn)向的作用。轉(zhuǎn)向節(jié)的安全可靠性直接影響著整車的行駛可靠性以及車載人員的生命安全，因此對(duì)其機(jī)械性能及外形結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，是汽車上的重要安全零件之一，故在產(chǎn)品開發(fā)過程中，最重要的工作之一就是驗(yàn)證產(chǎn)品的疲勞壽命。

本文通過對(duì)某款汽車鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，查找影響試驗(yàn)壽命的關(guān)鍵因素，并對(duì)其進(jìn)行了改善并最終使產(chǎn)品成功通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 產(chǎn)品試驗(yàn)要求及結(jié)果

本款轉(zhuǎn)向節(jié)需要進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)包括：側(cè)向力疲勞試驗(yàn)、制動(dòng)力疲勞試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向力疲勞試驗(yàn)。其中，對(duì)側(cè)向力疲勞試驗(yàn)原理如圖1，試驗(yàn)條件為載荷FS=3.4±13.3kN，F(xiàn)B=0，循環(huán)次數(shù)Nerf ≥20000次；正弦曲線方式加載。

根據(jù)以上試驗(yàn)要求，將轉(zhuǎn)向節(jié)裝在專用試驗(yàn)工裝上，該工裝模擬轉(zhuǎn)向節(jié)裝車后的裝配關(guān)系，加載端連接25kN，250mm作動(dòng)器，如圖2。整套試驗(yàn)系統(tǒng)模擬汽車在轉(zhuǎn)彎過程中因離心力的趨勢(shì)產(chǎn)生的由地面作用在輪胎上的橫向力，最終傳遞給轉(zhuǎn)向節(jié)。

圖1 側(cè)向力試驗(yàn)原理

圖2 側(cè)向力試驗(yàn)臺(tái)架

作動(dòng)器對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行加載后，循環(huán)次數(shù)需至少達(dá)到20000次不出現(xiàn)裂紋方可通過試驗(yàn)驗(yàn)證，但試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)循環(huán)次數(shù)僅達(dá)到6000-8000次時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)即出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，結(jié)果失效，如圖3。需對(duì)試驗(yàn)失效問題進(jìn)行分析。

3 失效問題分析

3.1 對(duì)試驗(yàn)工裝分析

相對(duì)于整車坐標(biāo)系，試驗(yàn)工裝各鉸接點(diǎn)存在理論坐標(biāo)，如圖4。使用手持三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)各鉸接點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得出各點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)值，與理論坐標(biāo)對(duì)比，如表1。結(jié)果顯示坐標(biāo)最大偏差為1.26mm，該偏差不足以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，故工裝尺寸及安裝精度影響因素被排除。

3.2 對(duì)樣品材料性能分析

針對(duì)失效零件進(jìn)行材料性能分析。在裂紋產(chǎn)生處對(duì)斷口進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)在螺栓孔與安裝面的倒角處，產(chǎn)生低周循環(huán)疲勞裂紋，裂紋產(chǎn)生后，在載荷作用下開始擴(kuò)展，直至因變形量增大導(dǎo)致試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，在裂紋斷面上，未發(fā)現(xiàn)氧化物及其他鑄造缺陷，如圖5。

圖3 側(cè)向力試驗(yàn)裂紋情況

圖4 側(cè)向力試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。在緊鄰裂紋位置處加工拉伸試棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)樣品同批次的3件零件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。結(jié)果顯示，失效樣品及同批次零件的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求數(shù)值，且結(jié)果分布一致，如表2，不是造成試驗(yàn)失效的原因。

圖5 斷口分析

圖6 失效位置顯微組織分析

圖7 安裝面接觸不全

對(duì)樣品進(jìn)行顯微組織觀察。在緊鄰裂紋位置處將零件切開，對(duì)截面進(jìn)行研磨后在金相顯微鏡下放大50倍及200倍觀察樣品顯微組織。結(jié)果顯示，鑄件內(nèi)部α-Al枝晶細(xì)小，與共晶體均勻分布，共晶 Si呈小圓顆粒狀，缺陷率＜0.1%，最大孔隙直徑＜0.1mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖6，對(duì)樣品試驗(yàn)壽命無(wú)不利影響。故樣品材料性能影響因素被排除。

3.3 與進(jìn)口CKD件進(jìn)行對(duì)比分析

本款產(chǎn)品為國(guó)產(chǎn)化零件，使用差壓鑄造工藝生產(chǎn)，與之完全相同的CKD件在國(guó)外已經(jīng)批量生產(chǎn)多年，CKD件使用重力鑄造工藝生產(chǎn)，并已通過試驗(yàn)驗(yàn)證。將進(jìn)口CKD件安裝在此套工裝上，設(shè)置相同的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，CKD零件在試驗(yàn)進(jìn)行到4000-6000次循環(huán)時(shí)，樣品出現(xiàn)裂紋并自動(dòng)停機(jī)。

根據(jù)兩款產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝對(duì)比分析，差壓鑄造是金屬液在一定壓力下凝固結(jié)晶的工藝，而重力鑄造是在大氣壓力下，依靠自重成型。與重力鑄造工藝相比，差壓鑄造產(chǎn)品晶粒細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能可提高10%-50%，故使用差壓鑄造的國(guó)產(chǎn)化零件試驗(yàn)壽命應(yīng)高于進(jìn)口CKD零件。

根據(jù)目前的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)口CKD零件在4000-6000次循環(huán)時(shí)就出現(xiàn)裂紋，但在國(guó)外此零件已通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在相同的試驗(yàn)條件下，相同狀態(tài)的零件在不同的試驗(yàn)工裝上出現(xiàn)不同的試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明試驗(yàn)工裝是導(dǎo)致樣品試驗(yàn)失效的主要因素，故應(yīng)繼續(xù)對(duì)試驗(yàn)工裝進(jìn)行深入分析。

轉(zhuǎn)向節(jié)在試驗(yàn)前需要對(duì)其整體噴涂白色油漆，以便于檢測(cè)裂紋長(zhǎng)度。通過對(duì)失效樣品的觀察，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)安裝面上有一圈明顯的殘留油漆，因此判定零件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)安裝面并沒有和工裝完全接觸，因此螺栓孔周圍接觸不全導(dǎo)致螺紋孔受力不均，可能是造成產(chǎn)品失效的主要原因，如圖7。

經(jīng)過對(duì)零件安裝面及加載臂安裝面平面度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示兩個(gè)平面的平面度均滿足≤0.05mm的要求。再次對(duì)安裝螺栓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)使用的螺栓等級(jí)為8.8級(jí)，但在汽車底盤系統(tǒng)中，所有螺栓等級(jí)要求≥10.9級(jí)。轉(zhuǎn)向節(jié)在試驗(yàn)過程中，使用沿圓周均布的三根螺栓與加載臂相連，在加載臂受到正向推力時(shí)，位于頂端的螺栓受到拉力，如圖8，在拉力的作用下，8.8級(jí)螺栓因強(qiáng)度不足發(fā)生塑性變形被拉長(zhǎng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)與加載臂之間出現(xiàn)縫隙，此縫隙在載荷循環(huán)的過程中越來(lái)越大，導(dǎo)致頂端螺栓孔周圍應(yīng)力增大，在未達(dá)到要求循環(huán)次數(shù)時(shí)便產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，出現(xiàn)裂紋。

圖8 螺栓受力分析

表1 試驗(yàn)工裝關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果

表2 失效樣品力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

表3 改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果

更換10.9級(jí)螺栓后重新進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果明顯改善，側(cè)向力疲勞試驗(yàn)壽命均能達(dá)到50000-60000次循環(huán)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求，見表3。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)側(cè)向力疲勞試驗(yàn)的工裝尺寸、轉(zhuǎn)向節(jié)材料、與CKD零件對(duì)比等進(jìn)行分析，找出試驗(yàn)失效的主要因素，通過改善試驗(yàn)條件，提升了轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性的試驗(yàn)壽命，驗(yàn)證了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，降低了產(chǎn)品在汽車使用過程中轉(zhuǎn)向節(jié)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。