金安鵬,徐照明

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730300）

引言

本研究以某型號汽車發(fā)動機(jī)的鋁合金材料發(fā)動機(jī)右懸置支架和螺栓為例,對其展開試驗(yàn)分析,從而找到導(dǎo)致發(fā)動機(jī)懸置支架和螺栓斷裂、失效的主要原因,最后提出能夠有效解決懸置支架失效的有效措施[1]。

1 汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架斷裂原因及分析方法

1.1 支架斷裂原因分析

為進(jìn)一步研究汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架的失效原因,本研究先是針對發(fā)動機(jī)中存在的故障零件從數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及發(fā)生的故障模式等方面展開了相應(yīng)的分析。而發(fā)動機(jī)斷裂的支架為汽車動力總成懸置系統(tǒng)的右懸置支架,并且該支架的安裝和離合器殼端相近,是距離動力總成核心最近的一個懸置支架。因此,在汽車運(yùn)行過程當(dāng)中它起到了承載發(fā)動機(jī)垂直荷載的作用。而根據(jù)汽車測試場的相關(guān)數(shù)據(jù),在平均3 400 km故障里程當(dāng)中,由于支架連接點(diǎn)斷裂,從而會導(dǎo)致懸置支架失效。同時,還存在螺栓斷裂的問題,其斷裂面相對平坦、光滑,還具備疲勞貝紋線。所以,從此可以發(fā)現(xiàn),在汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架上存在加強(qiáng)筋根部薄弱的現(xiàn)象。當(dāng)零件受到外力交變載荷時,在外力的作用下就會導(dǎo)致支架斷裂[2]。

1.2 分析方法

本研究通過利用SX30IS 型數(shù)碼相機(jī)設(shè)備,對斷裂之處進(jìn)行宏觀檢測分析,并利用電子顯微鏡對支架斷裂處和螺栓斷裂處的斷裂口外觀進(jìn)行掃描檢測,來判斷支架的疲勞度。同時,還利用光譜儀器、金相設(shè)備以及電子布氏硬度等方面對發(fā)動機(jī)支架的化學(xué)成分、金相組織以及硬度等方面進(jìn)行測試。從而實(shí)現(xiàn)對汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架失效原因的探究[3]。

2 試驗(yàn)和模擬結(jié)果分析

2.1 外觀檢測

從圖1 中所展示的汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架的斷裂情況來看,A區(qū)域的懸置支架斷裂和B 區(qū)域的螺栓斷裂處?？芍獌烧咧g的接觸區(qū)域,存在明顯的滑移磨損現(xiàn)象。并且,將斷裂的螺栓和B 區(qū)域相連接發(fā)現(xiàn)該螺栓存在明顯的彎曲現(xiàn)象。

圖1 發(fā)動機(jī)懸置支架和螺栓斷裂分析

2.2 發(fā)動支架斷口分析

2.2.1 支架螺栓斷口

通過對螺栓斷裂的斷口外觀方面來看,從其螺栓斷裂的紋理上能夠?qū)⑵鋽嗫趧澐?如果從螺栓斷口的裂紋上來看,主要呈現(xiàn)韌窩形狀,而該形狀和此區(qū)域產(chǎn)生的極值拉應(yīng)力瞬間拉開導(dǎo)致的螺栓彎曲斷裂特征相符合。所存在的疲勞斷裂特征,通過和韌窩形狀相比,該螺栓斷裂之處主要以疲勞斷裂為主[4]。因此,就表明支架螺栓是先出現(xiàn)彎曲從而導(dǎo)致撕裂現(xiàn)象,并在雙向疲勞裂紋擴(kuò)展作用下,形成螺栓斷裂。

2.2.2 發(fā)動機(jī)懸置支架端口

通過對汽車發(fā)動機(jī)的右懸置支架進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)從對支架斷口進(jìn)行宏觀外貌上來看,該支架斷口截面呈現(xiàn)纖維狀,且無相對明顯的疲勞特征。但在類似折疊的斷口方面,由兩個裂紋源在擴(kuò)展下形成了人字裂紋。從微觀方面對其分析發(fā)現(xiàn),在發(fā)動機(jī)懸置支架的裂紋源斷口處,存在二次裂紋和韌窩等現(xiàn)象,這就說明汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架出現(xiàn)斷裂失效是由于過載現(xiàn)象導(dǎo)致的。

2.3 化學(xué)成分因素

針對發(fā)動機(jī)右懸置支架和其螺栓,從其化學(xué)成分方面分析。本研究選擇利用光譜設(shè)備,在滿足相關(guān)技術(shù)和GB/T 3077- 2015 的要求下,分別對汽車發(fā)動機(jī)右懸置斷裂支架和斷裂螺栓兩者所使用的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析[5],其具體結(jié)果見表1 和表2 所示。

表1 發(fā)動機(jī)右懸置支架的材料化學(xué)成分分析（WB/%）

表2 斷裂螺栓的材料化學(xué)成分分析（WB/%）

2.4 金相組織分析

從金相組織方面,利用金相設(shè)備對汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架斷口和螺栓斷口等方面進(jìn)行金相試樣分析。當(dāng)對懸置支架斷口進(jìn)行磨制拋光之后,利用氫氟酸水溶液對其腐蝕現(xiàn)象,進(jìn)行觀察分析發(fā)現(xiàn),在顯微組織下,具備固溶體、共晶硅以及Cu 相和β 相。通過對螺栓的斷口進(jìn)行金相組織分析,發(fā)現(xiàn)表面并沒有脫碳現(xiàn)象,且螺紋牙低和收低存在圓滑過渡現(xiàn)象。

2.5 硬度測試分析

從汽車發(fā)動機(jī)懸置支架和螺栓的硬度方面進(jìn)程測試發(fā)現(xiàn),在滿足相關(guān)技術(shù)要求下,發(fā)動機(jī)斷裂懸置支架和斷裂螺栓,經(jīng)過布氏硬度測試其結(jié)果見表3 所示。

表3 懸置支架和螺栓斷裂硬度分析

3 數(shù)值模擬分析

在對汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分,本研究通過利用二階四面體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對懸置支架進(jìn)行劃分,且將每個網(wǎng)格的大小劃分為3 mm,其輸入的材料為AISi9Cu3Fe。并且,將汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架和橡膠懸置兩者之間的連接中心店當(dāng)中荷載的加載點(diǎn),確定懸置支架上的載荷情況,再對試驗(yàn)場所采集到的路譜進(jìn)行確認(rèn)。接著分別利用連接點(diǎn)全部固定約束的方式和斷裂螺栓連接點(diǎn)不約束,其他點(diǎn)固定約束等方式實(shí)現(xiàn)對汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架螺栓的連接進(jìn)行模擬[6]。

如果,在模擬過程當(dāng)中汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架具備均勻性與連續(xù)性等特點(diǎn),且存在理想彈塑性體,可以利用載荷約束邊界條件,將其工況分別對應(yīng)施加在懸置支架之上,然后利用求解器實(shí)現(xiàn)對其進(jìn)行求解,從而得出應(yīng)力。最后,根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架的材料抗拉強(qiáng)度,結(jié)合應(yīng)力從而實(shí)現(xiàn)對其支架強(qiáng)度的校核,具體結(jié)果見表4 所示。

表4 發(fā)動機(jī)右懸置支架強(qiáng)度校核結(jié)果分析

4 結(jié)果分析與討論

4.1 試驗(yàn)?zāi)M

根據(jù)以上試驗(yàn)分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架失效的金相組織、化學(xué)成分以及硬度等方面均為出現(xiàn)相應(yīng)的問題。并且,發(fā)動機(jī)右懸置支架的失效和過載斷裂問題,存在與在支架裝配生產(chǎn)過程當(dāng)中才發(fā)生的。由此可以判斷,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)右懸置支架失效的原因有兩種情況：第一種,由于懸置支架安裝孔和汽車車身尺寸匹配不足,且兩者之間匹配間隙過大,從而導(dǎo)致出現(xiàn)過載斷裂現(xiàn)象；第二種,由于發(fā)動機(jī)懸置支架在進(jìn)行鉚接過程當(dāng)中,由于懸置支架在鉚接過程中被壓斷,從而發(fā)生過載斷裂[7]。

為進(jìn)一步判斷與確認(rèn)導(dǎo)致右懸置支架斷裂的原因,本研究分別通過對上述兩種情況進(jìn)行模擬試驗(yàn),以此求得最后結(jié)果。

從上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行汽車發(fā)動機(jī)懸置支架鉚接過大時,通過模擬軟件可以發(fā)現(xiàn)支架斷裂的位置和失效器件兩者的位置相同。并均在鉚接時其接口處附周圍形成相應(yīng)的斷裂裂紋。通過對支臂安裝孔和汽車車身兩者之間存在匹配不良時,發(fā)動機(jī)懸置支架和鉚接口較遠(yuǎn)位置發(fā)生整體斷裂。然后通過對其鉚接斷裂斷口方面利用宏觀和微觀的方式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn),鉚接進(jìn)程過程中,支架模擬時斷裂斷口處于同樣的位置,且斷口外觀呈現(xiàn)出韌窩形狀。將其與懸置支架失效器件兩者的斷裂特征方面進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)相符,這就說明汽車發(fā)動機(jī)的懸置支架失效原因是受鉚接進(jìn)程過大的原因從而導(dǎo)致過載斷裂出現(xiàn)。

而汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架和其螺栓兩者之間的接觸面區(qū)域,存在滑移磨損的跡象。這就說明,在連接螺栓時,交變載荷時螺栓就已經(jīng)出現(xiàn)松動的現(xiàn)象。接著,通過對螺栓的斷裂斷口進(jìn)行分析,從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)懸置支架以及和連接螺栓的斷裂性質(zhì)等方面分別確認(rèn)了其過載斷裂以及疲勞斷裂。最后,再結(jié)合化學(xué)成分分析、金相組織分析以及硬度分析等實(shí)現(xiàn)對懸置之間和螺栓兩者所用的材質(zhì)以及滿足的技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)確認(rèn)。而通過上述數(shù)值模擬對汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架進(jìn)行模擬分析結(jié)果上發(fā)現(xiàn),在載荷工況利用斷裂螺栓連接點(diǎn)不約束,其他點(diǎn)固定約束的方式對懸置支架校核強(qiáng)度分析來看,其校核強(qiáng)度并不滿足相關(guān)要求。同時,其最大應(yīng)力點(diǎn)和汽車發(fā)動機(jī)懸置支架的斷裂裂紋源位置基本上處于一致位置。由此得出,在膠邊載荷的作用下,汽車發(fā)動機(jī)懸置支架接觸面之間會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,從而導(dǎo)致連接螺栓出現(xiàn)彎曲疲勞斷裂的情況,最后導(dǎo)致螺栓連接點(diǎn)約束出現(xiàn)變化,懸置支架斷裂。因此,想要解決發(fā)動機(jī)懸置支架失效問題,可以通過對其裝配工藝進(jìn)行改進(jìn),以此來保證懸置支架和連接件兩者之間存在足夠的預(yù)緊力,從而可以避免螺栓出現(xiàn)松動造成支架失效。

4.2 風(fēng)險評估與改進(jìn)

根據(jù)（309.6 mm）標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對鉚接基準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)分析,同時以0.1 mm 的進(jìn)程逐步依次對其試驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行遞增,整個實(shí)現(xiàn)需進(jìn)行6 組,其鉚接斷裂模擬進(jìn)程試驗(yàn)參數(shù)具體見表5 所示。

表5 鉚接斷裂模擬進(jìn)程參數(shù)

從表5 中可以發(fā)現(xiàn),在鉚接斷裂進(jìn)程模擬實(shí)驗(yàn)過程中,當(dāng)其標(biāo)準(zhǔn)工藝超過310.1 時,汽車發(fā)動機(jī)懸置支架就會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,其位置則和失效的懸置支架位置一致。而當(dāng)其標(biāo)準(zhǔn)工藝處于一定的范圍左右,如310.0 mm 時,鉚接工裝和鈑金支架等翻邊會出現(xiàn)干涉問題,一直到斷裂。

因此,當(dāng)鉚接的進(jìn)程較短時,并沒有出現(xiàn)翻邊干涉的現(xiàn)象。而汽車發(fā)動機(jī)的懸置支架鉚接工藝,主要是由于在針對其定位工裝時,沒有對其和鈑金支架兩者之間接觸的地方進(jìn)行充分考慮,從而出現(xiàn)翻邊和干涉的現(xiàn)象。從而導(dǎo)致兩者之間的接觸面無法實(shí)現(xiàn)完全的貼合,最終發(fā)生發(fā)動機(jī)懸置支架在鉚接過程中出現(xiàn)斷裂[8]。

所以,為了進(jìn)一步降低或避免發(fā)動機(jī)懸置支架斷裂的情況出現(xiàn),可以通過對鉚接位定位工裝等方面進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)。如通過對其定位工裝的R 角進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),將R 角取消,則可以有效避免鉚接和鈑金支架兩者之間出現(xiàn)翻邊干涉現(xiàn)象。最后通過對改進(jìn)后的器件進(jìn)模擬驗(yàn)證,結(jié)果表明汽車發(fā)動機(jī)懸置支架并未出現(xiàn)斷裂失效的問題,從而證明此次改進(jìn)的可行性。

5 結(jié)論

綜上所述,本研究針對汽車耐久性綜合測試過程中存在的發(fā)動機(jī)右懸置支架斷裂失效原因,通過利用斷裂件和CAE 等方面對其失效原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架的鋁合金材料成分以及其硬度均符合相關(guān)工藝要求,而造成發(fā)動機(jī)懸置支架斷裂主要是由于螺栓松動結(jié)合疲勞斷裂等因素使得連接點(diǎn)的約束方式出現(xiàn)變化,從而導(dǎo)致汽車發(fā)動機(jī)右懸置支架失效。因此,面對該主要失效原因,可以通過對其工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,這樣一來既能夠促進(jìn)支架零件的強(qiáng)度,還不會影響支架的使用。以此為相同類型零部件設(shè)計提供相應(yīng)的參考。