駱建軍Luo Jianjun

某副車架轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)疲勞失效分析及改進(jìn)

駱建軍
Luo Jianjun

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

針對(duì)副車架轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)在疲勞工況下失效案例進(jìn)行研究，通過(guò)結(jié)構(gòu)受力分析、設(shè)計(jì)方案回顧、臺(tái)架失效分析以及改進(jìn)措施研究發(fā)現(xiàn)一種最佳的安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，疲勞壽命由1.4倍壽命提升至2倍壽命，并且無(wú)開(kāi)裂。

副車架；轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)；疲勞壽命；焊縫布置；熱影響區(qū)；殘余應(yīng)力

0 引 言

副車架的轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)主要起到提供轉(zhuǎn)向器安裝、保證足夠強(qiáng)度及剛度的作用。一般該安裝點(diǎn)是由套管支撐套管通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件連接轉(zhuǎn)向器來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而保證汽車具有良好的操控性能、耐久可靠性能及售后拆裝便捷性。設(shè)計(jì)過(guò)程中，安裝點(diǎn)的選型如圖1所示，經(jīng)過(guò)DCS（Design Concept Sheet，概念選型）后需要進(jìn)行下一步工程方案的設(shè)計(jì)及同步制造方案的評(píng)估，當(dāng)數(shù)據(jù)鎖定后，需要進(jìn)行工程樣件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，無(wú)問(wèn)題后進(jìn)行DV（Design Validation，設(shè)計(jì)驗(yàn)證）和PV（Product Validation，產(chǎn)品驗(yàn)證）、批量物流生產(chǎn)，最后產(chǎn)品通過(guò)日常維護(hù)保證客戶有可靠的使用性能。該過(guò)程伴隨著設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、量產(chǎn)及售后的全部過(guò)程。

圖1 安裝點(diǎn)選型流程

決定一個(gè)產(chǎn)品是否成功的重要判定依據(jù)是設(shè)計(jì)及驗(yàn)證環(huán)節(jié)，尤其是疲勞性能的驗(yàn)證是重要的基礎(chǔ)性問(wèn)題，需要給出最佳的設(shè)計(jì)方案。

1 副車架轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)疲勞失效分析

1.1 結(jié)構(gòu)、受力及材料、工藝分析

1）結(jié)構(gòu)和受力分析

副車架上通常設(shè)計(jì)2～4個(gè)相同或者結(jié)構(gòu)相近的轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)，其中每個(gè)點(diǎn)安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示，由轉(zhuǎn)向器、副車架、套管及安裝的標(biāo)準(zhǔn)件組成。轉(zhuǎn)向器殼體屬于此位置單側(cè)懸臂受力，由于轉(zhuǎn)向器殼體為常規(guī)鑄件，根據(jù)受力的力偶=×（為外力F和F合力，為力臂）的放大效果，鈑金類零部件在該截面上面臨很大的承載考驗(yàn)；因此重點(diǎn)對(duì)副車架側(cè)的空腔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞進(jìn)行關(guān)注。

副車架轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)如圖3所示，主要為兩方面受力，一方面是轉(zhuǎn)向引起的齒條力輸入齒條；另外一方面是車輪受地面和輪心激勵(lì)的擺臂球頭受力R球頭、L球頭，傳遞到副車架本體上。

通常，對(duì)于5座家用汽車齒條取值為7～10 kN；R球頭、L球頭受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和車身重量以及路面激勵(lì)反饋的影響，其疲勞載荷約為1.5～1.8 kN，當(dāng)遇到過(guò)坑等濫用工況時(shí)，其載荷達(dá)到20 kN以上；因此主要關(guān)注擺臂受力R球頭、L球頭對(duì)轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)的影響[1]。

圖2 安裝點(diǎn)受力示意圖

圖3 副車架轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)

2）材料分析

轉(zhuǎn)向器殼體的材料一般為AlSi7Mg鑄造鋁合金，其抗拉強(qiáng)度為290 MPa，屈服強(qiáng)度為220 MPa，延伸率為7%。

副車架材料一般為冷成型酸洗熱軋鋼板QSTE420，其抗拉強(qiáng)度為480～600 MPa，屈服強(qiáng)度為450～520 MPa，延伸率為19%；采用固溶強(qiáng)化的方法，在Fe結(jié)晶中引入Mn、Si、C、N等固溶強(qiáng)化元素，如圖4所示顯微組織多為鐵素體和珠光體。

圖4 固溶強(qiáng)化

套管一般為低碳鋼硼鋼10B21材料，具有較高的材料強(qiáng)度和良好的焊接性能。

3）工藝分析

制造轉(zhuǎn)向器殼體的鋁液初始溫度為650 C°，在保持580～650 C°澆鑄工作溫度時(shí)進(jìn)行鑄造，整個(gè)鑄件參數(shù)包括毛坯重量、渣包重量、澆鑄流道重量及澆注口截面積等。通過(guò)設(shè)置渣包、排氣來(lái)保證鋁液的填充，如圖5所示。在澆注過(guò)程中通過(guò)對(duì)溫度、氣壓分布（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓以上）、凝固過(guò)程、熱節(jié)等參數(shù)的控制，使得氣孔率、收縮等缺陷得到有效控制。

圖5 流動(dòng)分析

副車架采用鈑金沖壓成型，鋼板選用的是熱連軋酸洗鋼板QSTE420，圖6為鋼板煉鋼、連鑄、熱軋以及酸洗的整個(gè)過(guò)程，其中層流冷卻工藝環(huán)節(jié)將徹底改變熱軋鋼板的材料力學(xué)。鋼板最后成卷出廠后按照開(kāi)卷的工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)，如圖7所示，最后經(jīng)過(guò)電泳及物流包裝后進(jìn)入OEM（Original Equipment Manufacturer，原裝主機(jī)廠）進(jìn)行整車裝配。鈑金件副車架工藝環(huán)節(jié)除了控制散件的沖壓缺陷（拉傷、開(kāi)裂、起皺、回彈）外，還需要控制焊接缺陷（裂紋、氣孔、未熔合、咬邊等）。

圖6 鋼板生產(chǎn)流程

圖7 副車架生產(chǎn)流程

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的壓潰驗(yàn)證

為套管施加74.9 kN的壓潰力，其變形量小于0.2 mm（壓潰力測(cè)試前長(zhǎng)度為58.22 mm、58.26 mm、58.25 mm，測(cè)試后長(zhǎng)度變化分別為0.03 mm、0.03 mm、0.04 mm），如圖8所示，滿足壓潰要求。

圖8 套管的壓潰驗(yàn)證

1.3 臺(tái)架失效分析

采用路譜加載的多通道耐久道進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在1.4倍壽命（1倍壽命相當(dāng)于用戶16萬(wàn)km）時(shí)轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)附近出現(xiàn)裂紋，如圖9所示。經(jīng)過(guò)評(píng)估，該位置的考核涉及副車架主體結(jié)構(gòu)，可將臺(tái)架標(biāo)準(zhǔn)提高到2倍壽命，即具備2倍的耐久魯棒性。

圖9 開(kāi)裂位置

1）斷口分析

如圖10斷口低倍形貌所示，斷口為典型的疲勞斷口，裂紋沿著焊趾擴(kuò)展。

圖10 斷口低倍形貌

2）電鏡分析

采用電子顯微鏡分析，裂紋起源于焊趾表面，起源點(diǎn)可觀察到疲勞條紋，如圖11所示。

圖11 裂紋源微觀形貌

3）焊縫檢驗(yàn)

沿開(kāi)裂區(qū)域進(jìn)行焊縫檢驗(yàn)[3]，如圖12所示，焊縫熔深、焊高、材料厚度均滿足要求，但是在焊趾區(qū)域觀察到未熔合、焊渣缺陷，焊趾裂紋從缺陷處發(fā)生。

圖12 焊縫檢驗(yàn)

4）材料檢驗(yàn)

焊縫熱影響區(qū)組織無(wú)明顯異常，熱影響區(qū)硬度為158/167HV0.3，焊縫硬度為201/203HV0.3，母材硬度為203/203HV0.3，熱影響區(qū)材料強(qiáng)度低于母材、焊縫強(qiáng)度。

5）重復(fù)檢驗(yàn)

對(duì)某個(gè)失效樣本檢查發(fā)現(xiàn)，焊趾區(qū)域未發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷，熔深、焊高滿足要求，但是出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明不只是焊接缺陷導(dǎo)致了失效開(kāi)裂，此位置所受外力影響較大，應(yīng)該首先改善此處受力或者提升此處材料強(qiáng)度，如圖13所示。

圖13 某失效樣本檢查

2 提高疲勞壽命的措施

從開(kāi)裂位置基本判定為焊接熱影響區(qū)的疲勞失效。圖14對(duì)焊接熱影響區(qū)特性分布進(jìn)行了詳細(xì)分析，在QSTE420材料的焊接熱影響區(qū)特性分布中存在熔合區(qū)（A區(qū)）、過(guò)熱區(qū)（B區(qū)）、正火區(qū)（C區(qū)）和不完全結(jié)晶區(qū)（D區(qū)）。通過(guò)相關(guān)研究及臺(tái)架試驗(yàn)證明，在力學(xué)性能上，熔合區(qū)（A區(qū)）和過(guò)熱區(qū)（B區(qū)）的韌性、塑性最差，在疲勞載荷作用下，極易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)需關(guān)注A、B區(qū)的交界位置是否存在應(yīng)力集中，大的交變載荷加上薄弱的材料位置疊加焊接殘余應(yīng)力的分布，會(huì)形成疲勞失效的萌芽點(diǎn)并逐步擴(kuò)散[2]。

圖14 焊接疲勞區(qū)域的劃分

針對(duì)以上的分析，由于布置、成本、重量均已選型凍結(jié)，所以主要在焊接方面進(jìn)行分析（外部的輸入已經(jīng)無(wú)法改變），可通過(guò)如下方案提升開(kāi)裂位置的力學(xué)性能。

（1）改變焊縫布置，如圖15所示將虛線表示的焊縫取消，避開(kāi)高應(yīng)力位置，提升原先開(kāi)裂位置材料的力學(xué)性能，同時(shí)使焊縫熔池區(qū)域與高應(yīng)力點(diǎn)疊加增加強(qiáng)度，使得危險(xiǎn)點(diǎn)的材料更具穩(wěn)定性；

（2）調(diào)整焊接參數(shù)，由電流170 A、速度80 cm/min、電壓22 V更改為電流180 A、速度60 cm/min、電壓20 V，減少焊接熱影響區(qū)（B區(qū)）鐵素體魏氏組織的產(chǎn)生；

（3）將套管與鈑金的焊接間隙控制在0.1 mm內(nèi)，減少焊接殘余應(yīng)力。

圖15 副車架安裝點(diǎn)優(yōu)化前后對(duì)比

3 結(jié) 論

優(yōu)化方案實(shí)施后，再次對(duì)副車架樣本進(jìn)行路譜多通道驗(yàn)證，壽命均達(dá)到2倍壽命以上，滿足設(shè)計(jì)的魯棒性要求，其等效用戶32萬(wàn)km的使用能力。

（1）副車架轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)的疲勞載荷來(lái)自車輪位置，轉(zhuǎn)向齒條非主要載荷來(lái)源，進(jìn)行相關(guān)失效分析時(shí)，需要甄別出導(dǎo)致開(kāi)裂問(wèn)題的載荷來(lái)源；

（2）在重量、成本優(yōu)先的前提下，慎重選擇焊接方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)需要識(shí)別出高應(yīng)力值位置，制定可靠的焊縫布置，避免疊加效應(yīng)；

（3）套管焊縫的優(yōu)化需要考慮焊接殘余應(yīng)力的影響以及套管焊縫減短后是否會(huì)脫落；

（4）疲勞失效金相分析可以從微觀上發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題的萌芽點(diǎn)和失效模式，結(jié)合焊接工藝識(shí)別出焊接熱影響區(qū)的組織、殘余應(yīng)力應(yīng)變對(duì)失效現(xiàn)象的影響程度。

[1]劉惟信. 汽車設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[2]拉達(dá)伊. 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度[M]. 鄭朝云，張式程譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[3]龔強(qiáng)，吳茜.扭力梁焊縫失效開(kāi)裂分析及工藝優(yōu)化[J].科技信息，2013（11）：110-111.

2021-04-21

U463.32+4.027

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.04.005

1002-4581（2021）04-0020-04