門玉琢， 于海濤， 于海波

(1. 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院汽車工程學(xué)院 長(zhǎng)春，130012) (2. 哈爾濱師范大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理中心 哈爾濱，150025)

引 言

汽車的耐久性主要是由其各結(jié)構(gòu)及零部件的疲勞壽命決定的，大多數(shù)情況下零部件所承受的是隨時(shí)間發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)載荷，它們一般是隨時(shí)間變化的隨機(jī)函數(shù)[1]。在這種載荷作用下零部件會(huì)發(fā)生疲勞失效或破壞，即零件在經(jīng)受一定時(shí)間的循環(huán)載荷作用以后發(fā)生疲勞失效。試驗(yàn)場(chǎng)可靠性試驗(yàn)著眼于模擬汽車在實(shí)際使用環(huán)境中所碰到的最惡劣工況，即造成汽車零部件疲勞損傷主要部分的工況。為縮短可靠性試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)條件變得越來(lái)越苛刻，這主要是通過(guò)建造更惡劣的試驗(yàn)道路和加快車速來(lái)實(shí)現(xiàn)[2-3]。轉(zhuǎn)向節(jié)臂作為重型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件，起到傳遞轉(zhuǎn)向力作用，其可靠性對(duì)行車安全至關(guān)重要，在整個(gè)壽命里程內(nèi)不允許其發(fā)生斷裂[4-6]。從現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠性研究成果看，各大汽車公司主要偏向于動(dòng)力傳動(dòng)系和承載結(jié)構(gòu)的研究，而轉(zhuǎn)向系構(gòu)件的故障分析、數(shù)據(jù)測(cè)試相對(duì)復(fù)雜，相關(guān)研究資料較少，尤其在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路可靠性試驗(yàn)階段。

根據(jù)某重型載貨汽車轉(zhuǎn)向系可靠性試驗(yàn)結(jié)果，筆者測(cè)量轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐體根部斷裂位置附近的彎曲應(yīng)變及轉(zhuǎn)向系相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合材料特性和工藝裝配精度分析，確定轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂機(jī)理。

1 結(jié)構(gòu)的疲勞

疲勞是零部件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷過(guò)程，循環(huán)加載期間，在最高應(yīng)力區(qū)域會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，這種變形將引起零部件的永久損傷和裂紋擴(kuò)展[6]。盡管大多數(shù)零部件名義上都具有循環(huán)彈性應(yīng)力，然而對(duì)于有切口、焊縫或其他存在應(yīng)力集中的零部件，會(huì)形成局部循環(huán)塑性變形，因此利用局部應(yīng)力-應(yīng)變法預(yù)測(cè)零部件疲勞壽命更具有效性。

圖1 雨流計(jì)數(shù)法原理Fig.1 Rain-flow counting principle

轉(zhuǎn)向節(jié)臂發(fā)生的斷裂主要是由于局部應(yīng)力波動(dòng)循環(huán)而引起的，應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)法可以把載荷時(shí)間歷程處理成幅值-均值-循環(huán)次數(shù)的雨流循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣[5-6]。結(jié)構(gòu)和零部件的疲勞損傷就是由循環(huán)載荷產(chǎn)生的，將整個(gè)時(shí)域載荷循環(huán)引起的疲勞損傷通過(guò)累積得到總損傷[3,7]，雨流計(jì)數(shù)過(guò)程如圖1。圖中兩條平行實(shí)線和垂向?qū)嵕€分別為坐標(biāo)系的橫軸與縱軸，上半部分的實(shí)曲線為實(shí)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，下面的實(shí)曲線為其雨流計(jì)數(shù)后的滯回環(huán)曲線；字母A～H為峰谷值數(shù)據(jù)點(diǎn)，虛線為峰谷值計(jì)數(shù)后對(duì)應(yīng)點(diǎn)連接線。

轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐體根部斷裂位置難以粘貼應(yīng)變片來(lái)測(cè)量局部應(yīng)變，只能把應(yīng)變片粘貼在斷裂口附近[3]測(cè)試名義應(yīng)力。然后將測(cè)試的名義應(yīng)力譜轉(zhuǎn)換成危險(xiǎn)部位(斷裂位置)的局部應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)[5,8]。

根據(jù)Neuber法則，循環(huán)加載時(shí)結(jié)構(gòu)或部件的缺口根部易產(chǎn)生裂紋[9-10]，利用應(yīng)變片測(cè)試的名義應(yīng)力與局部應(yīng)力-應(yīng)變幅值間的關(guān)系為

(1)

其中：Kf為疲勞缺口系數(shù);E為彈性模量;ΔS和Δε為應(yīng)變片測(cè)試的名義應(yīng)力與應(yīng)變范圍;Δσn和Δεn為缺口根部的局部應(yīng)力與應(yīng)變范圍。

疲勞缺口系數(shù)[3,5]的計(jì)算式為

Kf=1+(Kt-1)/(1+a/r)

(2)

其中：a為材料的常數(shù);r為疲勞缺口根部的圓角半徑;Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)。

斷裂位置的局部應(yīng)力-應(yīng)變范圍的滯回環(huán)曲線方程為

(3)

其中：n′為循環(huán)硬化指數(shù);K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)。

聯(lián)合式(1)和式(3)有

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)，可求出轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂處局部應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)各個(gè)滯回環(huán)的εn和σn。

設(shè)每個(gè)滯回環(huán)的平均應(yīng)力σ與應(yīng)變范圍Δεi分別為

Δεi=|ε1i-ε2i|

(5)

σ0i=(σ1i+σ2i)/2

(6)

把上述平均應(yīng)力σ0i和應(yīng)變范圍Δεi代入到Manson-Coffin公式進(jìn)行平均應(yīng)力修正[3],即

(7)

解方程式(7)求出疲勞壽命Nf i。設(shè)第i級(jí)應(yīng)力幅值產(chǎn)生的疲勞損傷為Di，則

Di=ni/Nfi

(8)

其中:ni為載荷第i級(jí)幅值下循環(huán)次數(shù)。

利用Miner疲勞線性累積損傷法則，將各級(jí)疲勞損傷進(jìn)行累積得到的總疲勞損傷D為

(9)

其中:M為載荷幅值等級(jí)。

當(dāng)D等于1時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)臂即發(fā)生疲勞斷裂。

轉(zhuǎn)向節(jié)臂的材料為40 Cr，疲勞損傷計(jì)算中與材料相關(guān)的參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料相關(guān)疲勞參數(shù)取值

2 載荷測(cè)試與疲勞損傷計(jì)算

2.1 載荷測(cè)試方案

載荷譜是汽車結(jié)構(gòu)及零部件疲勞壽命、損傷計(jì)及疲勞耐久性試驗(yàn)的基礎(chǔ)，試驗(yàn)中測(cè)試的載荷一般指位移、加速度、轉(zhuǎn)矩及應(yīng)變等。計(jì)算之前需確定載荷譜排列順序、循環(huán)次數(shù)及幅值。本次試驗(yàn)具體的測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表2,布置的與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的測(cè)試傳感器，如圖2～5所示。

表2 試驗(yàn)主要測(cè)量參數(shù)

圖2 粘貼全橋應(yīng)變片的轉(zhuǎn)向節(jié)臂Fig.2 Full bridge strain gages on steering knuckle arm

圖3 測(cè)量轉(zhuǎn)向拉桿拉力的應(yīng)變片F(xiàn)ig.3 Measurement strain gages for steering rod

圖4 測(cè)量轉(zhuǎn)向橫拉桿位移傳感器Fig.4 Measurement displacement sensor for steering rod

圖5 前輪軸頭的加速度傳感器Fig.5 Acceleration sensor on front axle

2.2 疲勞損傷計(jì)算

利用Glyph Works疲勞分析軟件計(jì)算局部應(yīng)力-應(yīng)變的疲勞損傷，需要對(duì)實(shí)際測(cè)試的載荷信號(hào)進(jìn)行“濃縮”處理，剔除對(duì)疲勞損傷貢獻(xiàn)度較小的信號(hào)。eDAQ數(shù)據(jù)采集儀通過(guò)傳感器測(cè)試整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)，由于記錄的通道數(shù)較多、數(shù)據(jù)計(jì)算量龐大，文中只以車輛滿載為例，計(jì)算強(qiáng)化路的轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞損傷，測(cè)試的時(shí)域應(yīng)變曲線如圖6。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂的應(yīng)變曲線Fig.6 Strain of steering knuckle and steering knuckle arm

圖6中，(a～d)分別為右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變、右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)臂應(yīng)變、左側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)變、左側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)臂應(yīng)變時(shí)域信號(hào)。利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算疲勞損傷前，首先要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性進(jìn)行檢查，保證數(shù)據(jù)的正確性，然后進(jìn)行預(yù)處理，包括去“毛刺”、漂移矯正、濾波等，最后將預(yù)處理后的“干凈”試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到GlyphWorks軟件的應(yīng)變壽命模塊，并對(duì)其屬性進(jìn)行定義，包括Manson-Coffin平均應(yīng)力的修正、疲勞缺口系數(shù)Kf及材料的屬性等參數(shù)。

疲勞損傷的計(jì)算包括名義應(yīng)力法和局部應(yīng)變法。名義應(yīng)力法的平均應(yīng)力修正應(yīng)用的是Goodman方程，本次試驗(yàn)采集的應(yīng)變信號(hào)應(yīng)用局部應(yīng)變法計(jì)算損傷，因此需要用Manson-Coffin方法做平均應(yīng)力修正，其修正曲線如圖7所示。

圖7 Manson-Coffin平均應(yīng)力修正模型Fig.7 Manson-Coffin mean stress correction model

經(jīng)Manson-Coffin平均應(yīng)力的修正后的應(yīng)變-壽命(ε-N)曲線是一個(gè)曲線族，共計(jì)64條(雨流直方圖區(qū)間為64)，這樣就實(shí)現(xiàn)了考慮每一應(yīng)力均值后計(jì)算的疲勞損傷。雨流計(jì)數(shù)的直方圖矩陣如圖8所示，雨流計(jì)數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖8 三維直方圖雨流矩陣Fig.8 Rainflow matrix of 3D histogram

圖8為雨流計(jì)數(shù)結(jié)果直方圖，即幅值-均值-循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，從圖中可以看出，小幅值及均值在0附近的循環(huán)次數(shù)較多，這與雨流計(jì)數(shù)的規(guī)則是一致的。表3為應(yīng)變數(shù)據(jù)為雨流計(jì)數(shù)的幅值、均值及循環(huán)次數(shù)。

表3 應(yīng)變信號(hào)的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果

根據(jù)Miner疲勞損傷計(jì)算方法，將不同幅值、均值下的疲勞損傷進(jìn)行累積，即可得到總的疲勞損傷，如表4。表4為應(yīng)變數(shù)據(jù)的雨流計(jì)數(shù)幅值、均值與疲勞損傷。表3與表4的雨流計(jì)數(shù)及疲勞損傷計(jì)算數(shù)據(jù)量較大，這里只列出了部分計(jì)算結(jié)果。最終總疲勞損傷見(jiàn)圖9、圖10及表5。

試驗(yàn)測(cè)量了三種裝載(空載、半載及滿載)工況數(shù)據(jù)，根據(jù)“某試驗(yàn)場(chǎng)汽車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”，左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂里程接近，主要集中在4 200～4 400 km，且有很好的重復(fù)性，沒(méi)有通過(guò)可靠性考核的標(biāo)準(zhǔn)。從轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向節(jié)臂的強(qiáng)化路疲勞損傷分布曲線看，裝載載荷大小對(duì)疲勞損傷影響較小。所有強(qiáng)化路中，卵石路對(duì)斷裂部位造成的損傷所占比例最大，超過(guò)了90%。此時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向節(jié)臂由于強(qiáng)化路路面的凹凸不平而引起左右轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動(dòng)“步調(diào)”不同步，以及結(jié)構(gòu)裝配和加工工藝精度的偏差，在轉(zhuǎn)向節(jié)臂椎體根部產(chǎn)生了局部高集中應(yīng)力，最終發(fā)生彎曲疲勞斷裂。

表4 疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

圖9 試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路左側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞損傷Fig.9 Fatigue damage of left steering knuckle arm on enhancement roads

圖10 試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)臂疲勞損傷Fig.10 Fatigue damage of right steering knuckle arm on enhancement roads

表5 試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞損傷

3 材料特性與工藝裝配精度

3.1 材料特性

圖11 轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷口形貌Fig.11 Fracture surface feature of steering knuckle arm

試驗(yàn)中斷裂的轉(zhuǎn)向節(jié)臂如圖11，斷裂位置見(jiàn)圖中矩形標(biāo)識(shí)處，左右轉(zhuǎn)向節(jié)臂斷裂里程接近、位置相同，均發(fā)生在轉(zhuǎn)向節(jié)臂錐體根部。斷裂位置刀痕明顯，斷口與刀痕平行，有多個(gè)清晰可見(jiàn)的“臺(tái)階”。同時(shí)在裂紋源區(qū)域也存在多個(gè)明顯的“臺(tái)階”，裂紋源形貌如圖12所示，這些“臺(tái)階”處易產(chǎn)生高集中應(yīng)力。

圖12 轉(zhuǎn)向節(jié)臂裂紋源形貌Fig.12 Crack source of steering knuckle arm

對(duì)斷裂樣品件材料進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，維氏硬度由于試驗(yàn)時(shí)加載的壓力小，壓入深度淺，對(duì)工件損傷小，特別適用于測(cè)量零件的表面，經(jīng)常用于實(shí)驗(yàn)室及科研方面檢測(cè)。維氏硬度檢測(cè)位置分布在斷口表面，3個(gè)測(cè)點(diǎn)呈120°角，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。從測(cè)試結(jié)果看，4個(gè)樣件件分別在3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的維氏硬度數(shù)據(jù)接近，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)技術(shù)條件要求。

表6 維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果

4個(gè)樣品件的化學(xué)元素含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。可以看出，A,C樣件的碳元素略有偏高，其他化學(xué)元素的含量均符合設(shè)計(jì)條件。金相組織檢測(cè)結(jié)果：A樣件的回火索氏體為1級(jí)，B樣件回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體為3級(jí)，C樣件回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體也為3級(jí)，D樣件回火索氏體為1級(jí)。

表7 化學(xué)元素含量百分比

3.2 工藝裝配精度

被檢驗(yàn)樣品轉(zhuǎn)向節(jié)臂的錐面粗糙度為1.251 9，圓度為0.006 9，錐度為5°44′0″。與轉(zhuǎn)向節(jié)臂裝配的轉(zhuǎn)向節(jié)端面粗糙度為1.457 6，內(nèi)孔粗糙度為1.523 1，圓度為0.010 9，錐度為5°43′39"。轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)的錐度檢驗(yàn)結(jié)果偏差較大，未滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔面表面粗糙度檢測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)精度要求。

3.3 斷裂裂紋分析

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的材料特性和工藝裝配精度分析，發(fā)現(xiàn)該批次樣品斷裂性質(zhì)一致，均因受到過(guò)大沖擊載荷而發(fā)生彎曲疲勞斷裂，由于裂紋源表現(xiàn)出對(duì)刀痕的極大敏感性，因此應(yīng)注意工藝。轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配接觸面積只有30%，也不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)向節(jié)臂材料的硬度、化學(xué)元素含量以及金相組織檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)條件，斷裂裂紋表現(xiàn)出了對(duì)刀痕的極大敏感性，應(yīng)提高加工工藝精度以增加其強(qiáng)度。轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)錐孔面表面粗糙度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向節(jié)裝配接觸面積只達(dá)到30%，使錐面由均勻受力變?yōu)榫植渴芰?；車輛裝載載荷大小對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的疲勞損傷無(wú)明顯差異，損傷的最大值主要集中在強(qiáng)化路中的卵石路，路面的凹凸不平而引起左右轉(zhuǎn)向輪出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)干涉，在轉(zhuǎn)向節(jié)臂椎體根部產(chǎn)生了較大局部高集中應(yīng)力而發(fā)生彎曲疲勞斷裂。