發動機支架失效分析及改進

徐萍，王化龍（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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發動機支架失效分析及改進

徐萍，王化龍
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章從結構設計、CAE分析、鑄造工藝及熱處理工藝等方面對發動機支架斷裂進行了失效分析，查找到了失效原因。針對失效原因進行了改進，最終取得了顯著效果。

發動機支架；疲勞斷裂；鑄造；正火；CAE

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.086

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-251-03

引言

市場反饋，某重卡車型發動機支架失效問題頻發。調查發現，發動機支架一端通過四條螺栓與發動機相連，一端通過減震墊固定在車架縱梁上。發動機支架斷裂后，將嚴重影響發動機懸置系統穩定性。通過對售后數據的分類統計表明，發動機支架斷裂頻高發于使用第3個月，首次故障里程在4萬公里，屬車輛早期多發故障之一。

1、失效分析

1.1理化檢驗

1.1.1斷裂位置及宏觀斷口觀察

對隨機抽取的2件失效件外觀觀察，斷裂位置均位于發動機支架與減震器墊連接安裝面附近、發動機支架彎曲處，斷裂面與支架肋板底面大致垂直，表面均有輕微氧化銹蝕。斷裂表面外觀呈多源疲勞特征，裂紋源在零件筋板一側，源區附近多條臺階狀起裂棱，說明該處應力較集中；擴展區具有明顯的貝紋線特征，支架安裝面上方為最終瞬斷區。

其中1#斷裂面沿著支架寬度方向中心處，可見明顯的長條狀（約9*1.5mm）、圓孔形（約￠4mm）縮孔鑄造缺陷，2#斷裂面亦可見明顯縮孔；兩斷裂零件斷口疲勞源附近表面均未發現明顯的磕碰、擠壓等機械損傷。

1.1.2尺寸檢查

對兩件失效件關鍵尺寸進行檢查，均與圖紙要求相符合。

1.1.3硬度檢驗

沿斷裂件斷口附近支架寬度方向取樣測量，兩失效件表面硬度平均值分別為169HBW5/750和170HBW5/750。

1.1.4化學成分

對斷裂的發動機支架化學成分分析見表1，結果表明，失效件材料化學成分均符合ZG270-500。

表1　斷裂件化學成分（w，%）

1.1.5組織

沿斷裂件斷口附近取樣觀察，兩件失效件金相組織均為鐵素體+珠光體+殘余鑄態組織，為非正常正火組織，說明零件熱處理不良。

理化結果表明：失效支架尺寸、化學成分符合要求，但正火不良。

1.2生產過程調查

鑄造設計過程中冒口的擺放位置如圖5所示，冒口位置恰為斷裂位置處。從工藝角度分析，設置冒口目的是要消除縮孔，但必須估計到隨之而來的負面影響，即構成工藝熱節和冒口頸處的砂尖角。故障件的斷裂口反映出冒口未對鑄件起到補縮作用，反而使得熱流在此處淤塞形成熱節縮孔或冒口頸縮孔。[1]

1.3CAE分析

通過CAE分析7種工況模擬條件，結果表明，Z向受力最大（上、下方向承重點），分析最大受力點與斷裂位置一致，為零件承重的彎矩最大處；在工況1時靜態安全因子最小為1.955，其他工況下靜態安全因子集中在2-3之間。

綜合零件裝配位置，斷裂處恰為背板與安裝面過渡變截面區，無圓弧過渡，應力較為集中；且筋板寬度僅為10mm，該處承載車輛運行過程的震動，為彎矩最大處，其有效承載力截面積相對較小，二者綜合產生應力集中，造成最終疲勞斷裂。

2、整改措施

2.1結構優化

針對支架背板結構斜筋與安裝面連接處有效承載力截面積相對小，過渡圓弧不明顯，對此處結構進行優化，加強背板上的加強筋，通過大圓弧過渡，提高力學性能，同時有效減小該處應力集中。

2.2CAE分析

對改進后結構進行模擬分析，對比原結構，改進前后支架的最小靜態安全因子分別為1.955、3.059，第1種工況條件下，最小靜態安全因子為改進前結構的1.6倍；其他工況下安全因子均遠高于改進前。

2.3生產工藝變更

經過工藝對冒口位置的調整，通過對鑄件的解剖及加工驗證，原斷裂位置的縮孔缺陷有所改善，提高了力學性能。

2.4熱處理工藝改善

由于安裝面與背板尺寸較厚，若在正火處理過程溫度或保溫時間不足，由于沒有完全奧氏體化，使得鑄態的粗晶和晶內的針狀鐵素體沒有完全溶化，故保留了原始的殘余鑄態特征。試驗表明，鑄鋼殘留鑄態組織對抗拉強度和延伸率影響不大，但對沖擊韌性影響極大，脆性較大。[2]通過調整，將正火熱處理工藝定為880℃保溫4小時，基體組織達到標準要求。

3、改進效果跟蹤

自發動機支架改進切換后，未發現改進后的支架斷裂，改進效果顯著。

4、結語

1）發動機支架尺寸、成分均符合標準要求，造成其疲勞失效的主要原因為結構設計強度不足，其次為鑄造及熱處理工藝不良。

2）通過零部件結構、鑄造冒口位置及正火工藝的改善，結合CAE的模擬分析，確定改進后的方案，支架使用后改善結果顯著。

[1]陳國楨,肖柯則,姜不居.鑄件缺陷和對策手冊.[M]機械工業出版社,1996.

[2]白培謙.St52-3鑄鋼非正常正火的組織和性能.[J].理化檢驗-物理分冊,2007（43）:609-610.

Failure analysis and improvement of engine support

Xu Ping,Wang Hualong
(Shaanxi Heavy Automobile Co.LTD,Shaanxi Xi'an 710200)

From the structure design,CAE analysis,casting process and heat treatment process and other aspects of the failure analysis of engine bracket fracture,we find out the causes of failure.The failure causes were improved,and the remarkable results were achieved.

engine support; fatigue fracture; casting; normalizing; CAE

U464

A

1671-7988（2016）08-251-03

徐萍（1984-），女，中級工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事質量改進工作。