李文博，王登平，李林

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

引言

氣室是重型卡車驅(qū)動(dòng)橋所帶制動(dòng)器的重要部件，能否正常工作影響到整車的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。通常該類產(chǎn)品在投放市場(chǎng)以前，會(huì)經(jīng)過(guò)有限元分析和振動(dòng)試驗(yàn)確認(rèn)產(chǎn)品強(qiáng)度，結(jié)合道路測(cè)試確定整橋及橋上各附件的強(qiáng)度，而在產(chǎn)品投入到不同地區(qū)時(shí)，仍需要根據(jù)用途和工況進(jìn)行區(qū)分，這會(huì)使產(chǎn)品的可靠性得到有效增強(qiáng)。

1 概述

根據(jù)市場(chǎng)反饋，某驅(qū)動(dòng)橋出現(xiàn)氣室支架斷裂故障，故障件如圖1所示，斷裂部位在支架管部與氣室固定板之間，沿焊縫邊緣延伸至固定板。支架斷裂時(shí)，車輛僅行駛了 28335 km，屬于早期失效故障。該類支架已經(jīng)在市場(chǎng)批量投放，未出現(xiàn)過(guò)同類故障。其中，較大的區(qū)別在于，同類型支架所匹配車型主要在普通及高速公路行駛，該車主要在礦區(qū)附近行駛。

圖1 故障支架

2 原因分析

2.1 斷口分析

支架裂紋邊緣呈現(xiàn)撕裂狀，斷開的支架拼接后，未發(fā)現(xiàn)缺口，沿焊縫檢查，未發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾渣等焊接缺陷。從支架開裂趨勢(shì)來(lái)看，斷口邊緣30%左右的寬度范圍內(nèi)，斷面較新，存在撕裂現(xiàn)象；靠管路一側(cè)70%范圍內(nèi)，呈現(xiàn)分層斷裂痕跡，斷面較為陳舊。由斷裂現(xiàn)象經(jīng)驗(yàn)判斷，斷裂屬于疲勞斷口。斷痕及斷面如圖2所示。

故障發(fā)生順序應(yīng)為：斷裂最早出現(xiàn)于固定支架與管焊接根部，細(xì)微開裂損傷出現(xiàn)后，裂紋逐步延伸至支架外表面，之后橫向擴(kuò)展，當(dāng)延伸長(zhǎng)度超出支架寬度70%時(shí)，支架剩余金屬組織不足以繼續(xù)承受振動(dòng)載荷，氣室在振動(dòng)作用下將支架撕裂。

圖2 支架裂痕及斷面

2.2 材料分析

2.2.1 支架材質(zhì)確認(rèn)

該產(chǎn)品采用的材料為20#鋼，參照GB/T 699標(biāo)準(zhǔn)要求，該材料元素含量為C：0.17～0.24，Si0.17～0.37，Mn0.35～0.65，S≤0.035，P≤0.035。對(duì)故障件及同批次產(chǎn)品分別進(jìn)行取樣檢測(cè)，其中故障件檢測(cè)結(jié)果為：C:0.20,Si:0.18,Mn:0.45,S:0.011,P:0.015，同批次產(chǎn)品元素檢測(cè)值基本相當(dāng)，可以認(rèn)定產(chǎn)品材質(zhì)未出現(xiàn)異常。

2.2.2 支架金相組織確認(rèn)

該支架主要負(fù)載部分為管部和固定支架，管部和固定支架之間通過(guò)焊接連接在一起，為確定連接部加工缺陷，分別從斷裂部位及斷裂相對(duì)位置進(jìn)行取樣檢測(cè)，取樣位置及試驗(yàn)樣塊如圖3所示。

圖3 檢測(cè)取樣位置及所取樣塊

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，材料基體組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，由金相檢測(cè)圖判斷，管部及固定支架的母材主要組織為鐵素體和珠光體，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。支架基體組織金相如圖4所示，管部基體組織金相如圖5所示。

圖4 支架基體組織金相

圖5 管部基體組織金相

2.3 焊接質(zhì)量分析

考慮支架是沿焊縫邊緣開裂，而焊縫的熔合區(qū)具有明顯的化學(xué)不均勻性及組織不均勻性，極易成為裂紋或局部脆性破壞的發(fā)源地，因此對(duì)焊縫處的質(zhì)量進(jìn)行了較為全面的檢測(cè)。因該支架已經(jīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)及道路測(cè)試，所以本次主要是對(duì)焊接工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行了相應(yīng)的檢測(cè)確認(rèn)。

2.3.1 焊接尺寸確認(rèn)

通過(guò)對(duì)焊縫尺寸的測(cè)量，確定產(chǎn)品工藝執(zhí)行的穩(wěn)定性，具體檢測(cè)尺寸如表1所示，檢測(cè)位置如圖6所示，由測(cè)量的尺寸來(lái)看，所有尺寸均符合工藝要求，未出現(xiàn)焊高、熔深、熱影響區(qū)域的尺寸缺陷。

圖6 焊縫測(cè)量示意圖

表1 焊縫尺寸檢測(cè)表

2.3.2 焊接區(qū)域硬度

為確定焊接過(guò)程未出現(xiàn)異常，對(duì)焊縫的相關(guān)區(qū)域的硬度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，確定在焊接過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)燒產(chǎn)生的脫碳現(xiàn)象、未完全融合等問(wèn)題。其中管部基材硬度為165、148、147、143、132、135(維氏硬度)，固定支架基材硬度為155、154、148、141、145、131(維氏硬度)，熔合區(qū)硬度為 292、254、264、272、289、279(維氏硬度)，未處理的 20#鋼的硬度≤HV165，熔合區(qū)硬度應(yīng)≤HV350，且取樣點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的分布，未出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低的區(qū)域，即熔合區(qū)過(guò)程未出現(xiàn)明顯的焊接缺陷。

2.3.3 焊接熱影響區(qū)域金相

針對(duì)熱影響區(qū)域進(jìn)行金相檢測(cè)，確定未出現(xiàn)有害的金屬組織，由金相檢測(cè)圖觀測(cè)，管部及固定支架金相組織為貝氏體，未出現(xiàn)有害組織。支架及管部熱影響區(qū)域金相分別如圖7、8所示。

圖7 支架熱影響區(qū)金相

圖8 管部熱影響區(qū)金相

由檢測(cè)結(jié)果綜合判斷，支架的焊接過(guò)程未出現(xiàn)異常，焊接工藝應(yīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 產(chǎn)品應(yīng)力分析及強(qiáng)度確認(rèn)

2.4.1 氣室支架安裝在驅(qū)動(dòng)橋的主減或牙包側(cè)

在車輛行駛過(guò)程中，受到車輪傳遞來(lái)的振動(dòng)，氣室會(huì)受到6個(gè)方向的振動(dòng)加速度作用，因此，為了較為準(zhǔn)確的計(jì)算產(chǎn)品在行駛過(guò)程中受到的沖擊，將早期收集的路譜信息作為輸入條件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了有限元分析，同期采集用戶主要行駛路段的路譜信息用于加載比對(duì)。輸入條件1（普通公路）為：氣室支架重力125N、垂直方向加載25G、前后方向加載15G、側(cè)向加載 10G。輸入條件 2（用戶信息）為：氣室支架重力125N、垂直方向加載25G、前后方向加載15G、側(cè)向加載12G。以氣室支架安裝部位為固定點(diǎn)對(duì)分別按條件1、2進(jìn)行加載，結(jié)果如圖9、10所示。

圖9 條件1分析結(jié)果

圖10 條件2分析結(jié)果

根據(jù)加載結(jié)果分析，固定支架與管部的連接部位存在應(yīng)力集中區(qū)域，在條件1、2下所受應(yīng)力分別為32mPa、38mPa左右，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度 245mPa，按照計(jì)算，安全系數(shù)已大于 2，因此這也印證了斷口分析過(guò)程中的推論，該支架的斷裂應(yīng)非一次性斷裂，而是在持續(xù)振動(dòng)過(guò)程中先出現(xiàn)疲勞裂痕，然后逐步出現(xiàn)擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

2.4.2 支架強(qiáng)度驗(yàn)證

首先，針對(duì)問(wèn)題的發(fā)生采用普通公路路譜對(duì)同批次支架進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)100小時(shí)，折合車輛行駛約100萬(wàn)公里以上，未出現(xiàn)斷裂故障。然后，采用用戶信息重新進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，支架在振動(dòng)至15h后，在與故障支架相似位置出現(xiàn)了輕微裂痕。

2.5 分析結(jié)論

根據(jù)上述檢測(cè)及試驗(yàn)信息，已可確認(rèn)，氣室支架的斷裂，主要是由于在車輛行駛過(guò)程中支架受到的綜合振動(dòng)情況要比原設(shè)計(jì)輸入條件惡劣，支架在較高強(qiáng)度的振動(dòng)作用下在應(yīng)力集中位置發(fā)生疲勞斷裂。

3 優(yōu)化改進(jìn)

3.1 改進(jìn)措施

圖11 支架改進(jìn)示意圖

為分散應(yīng)力集中位置，改善支架焊接部位的受力狀況，在固定支架側(cè)邊增加一與固定面成155°的加強(qiáng)筋。

3.2 結(jié)果對(duì)比

1）按照用戶信息，對(duì)改進(jìn)后支架做重新加載，經(jīng)過(guò)加載確認(rèn)，原開裂部位的應(yīng)力由38mPa降低至17mPa以下，應(yīng)力已得到有效分散。分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 改進(jìn)后分析結(jié)果

2）振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試：由于斷裂時(shí)，支架所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服極限，為確保支架的使用壽命達(dá)到要求，在完成分析改進(jìn)后于臺(tái)架試驗(yàn)又進(jìn)行了重新試驗(yàn)，試驗(yàn)超過(guò)100h，支架未出現(xiàn)異常，支架理論使用壽命已超出驅(qū)動(dòng)橋B10壽命（100萬(wàn)公里）。

3）實(shí)際道路測(cè)試：針對(duì)改進(jìn)后支架進(jìn)行超10萬(wàn)公里的行駛測(cè)試，檢查確認(rèn)無(wú)異常。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)牽引車氣室支架在實(shí)際振動(dòng)作用下的斷裂故障進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，在牽引車驅(qū)動(dòng)橋上支架類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合運(yùn)用理論及試驗(yàn)數(shù)據(jù)是保證產(chǎn)品使用性能的基礎(chǔ)保障。由案例可以確定，傳統(tǒng)的安全系數(shù)設(shè)置建立的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，并不能作為設(shè)計(jì)的唯一基準(zhǔn)，結(jié)合有限元分析、試驗(yàn)、實(shí)際道路數(shù)據(jù)可以有效的保障產(chǎn)品靜載、動(dòng)載強(qiáng)度。同時(shí)，對(duì)于高頻振動(dòng)部件，需要結(jié)合有限元分析對(duì)應(yīng)力集中位置進(jìn)行分散，并采用有效加強(qiáng)結(jié)構(gòu)改善主要受力位置的受力狀況，不可一味的按照安全系數(shù)判斷產(chǎn)品強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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[3] GB/T 699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》.