清障車銷軸斷裂分析

李杰， 屈軍坡， 王玉良

（鄭州宇通重工有限公司，鄭州 450000）

1 引言

托叉是清障車連接事故車的主要受力件。托叉在行駛作業過程中，既承受著事故車輛的大部分重量，同時還要承受由于車輛制動、上下坡等路況引起的多種復雜交變應力，這就要求托叉必須具有承載能力高、抗疲勞的特點。托叉工作狀態見圖1。清障車在用戶使用過程中托叉銷軸發生了斷裂，托叉銷軸采用的材料為40Cr，銷軸進行了調質處理。我們對其材料成分、結構等進行分析，以了解其斷裂原因。

圖1 托叉工作狀態

2 原因分析

2.1 材料分析

若所用材料含碳量過低，易于造成材料的強度和硬度不夠，若材料含碳量過高則材料的塑性、韌性降低，將影響承受沖擊載荷的能力；Cr含量偏低則調質過程中易于形成貝氏體和屈氏體組織。理化室在銷軸斷裂處進行了化學成分分析，分析結果證實所采用的材料成分符合GB/T 3077-1999對40r材料的成分要求，見表1。

托叉銷軸要求調質處理，硬度要求為245～295 HRC，經測量硬度達到其設計要求。

表1 托叉軸材料40Cr化學成分分析 /%

2.2 強度校核

式中，F-緊急制動下的車輛的沖擊力；l-托叉懸臂部分的尺寸；W-球銷計算截面的彎曲截面系數；σs-材料的屈服極限，40Cr為 550MPa；ns-安全系數，取 1.7。

強度校核表明40Cr能夠滿足其托叉的使用要求。

2.3 裂紋端面分析

斷裂處位于設計過渡圓角處，因加工的原因造成此處無明顯圓角，斷裂處有幾道裂紋。

從端面形狀可分為三個區域：即裂紋源區、擴展區和瞬斷區。上下比較平坦為疲勞區，屬典型的疲勞斷裂，銷軸斷裂始于焊接加工軸肩處，在軸肩齊處斷裂見圖2，表明有應力集中現象。

圖2 斷裂面

2.4 結構分析

該銷軸在設計上出于成本考慮沒采用整體加工，而采用兩零件焊接而成，見圖3；銷軸與圓板通過上下焊接連接為一體，下面焊接處通過焊后加工從而形成R1的軸肩的過渡圓角。

因托叉銷軸焊后機加存在一定的難度，在機加過程中很難保證R1的過渡圓角，易造成應力集中；實際觀察斷裂的托叉其軸肩處本應預留R1的圓角成為光面，是該托叉銷軸處斷裂的主要原因。

該焊接銷軸上下進行圓周焊接，40Cr鋼是中碳低合高強鋼，碳元素含量在0.37%～0.44%之間，是一種淬硬傾向大、焊接性能差的鋼材，極容易在熱影響區中產生裂紋。焊接后，產生的熱量迅速擴散出去，焊接處快速冷卻，生成大量的高碳馬氏體，脆化性大，從而引起應力集中，易于在焊接處產生焊接裂紋。裂紋在在突變沖擊力作用下逐漸擴展并產生疲勞斷裂。

圖3 托叉銷軸原結構

3 結構改進

由托叉銷軸的斷裂情況分析可知，應力集中是造成銷軸斷裂的主要原因。對原造成應力集中結構進行了更改，托叉銷軸改進結構見圖4。

圖4 托叉銷軸改進結構

（1）銷軸軸肩處圓角由原設計的R1更改為R3，圓角由焊后加工而成更改為焊前加工，這樣更能保證圓角處光潔度，減少應力集中。（2）應力集中處由最大受力處更改為非最大受力處。（3）因圓板在該結構中僅起到支撐的作用，為減少銷軸的焊接量，上下焊接更改為上面焊接，上面銷軸軸徑大，焊接對結構的影響不大，下部不焊接，從而避開最大受力處因焊接產生的應力集中。

4 結論

（1）銷軸斷裂主要原因在于應力集中，因此銷軸在設計加工過程中應盡量避免應力集中，圓角設計要合理，加工表面要光潔；操作手冊及培訓用戶時嚴格要求用戶按規范操作，切不可超載、違規操作。

（2）經過改進后的托叉銷軸在使用中再沒有出現斷裂，改進后的結構也不是最優的，批量生產時，應考慮此零件更改為鍛造件。