某輕型卡車轉(zhuǎn)向彎臂斷裂分析

賈偉偉，吳江，袁智明

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型卡車轉(zhuǎn)向彎臂斷裂分析

賈偉偉，吳江，袁智明

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

轉(zhuǎn)向彎臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，一旦轉(zhuǎn)向彎臂出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，將造成整車轉(zhuǎn)向失控，存在極大的安全隱患。通過理論、CAE和斷件的斷口分析，確認(rèn)轉(zhuǎn)向彎臂的斷裂原因，并確定整改措施。

轉(zhuǎn)向彎臂；斷裂；金相

引言

某輕型卡車在道路試驗(yàn)驗(yàn)證過程中接到反饋，轉(zhuǎn)向彎臂根部出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)驗(yàn)證暫停。轉(zhuǎn)向彎臂是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，它是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力傳遞的重要部件，該部件出現(xiàn)斷裂將引起轉(zhuǎn)向失效，存在重大的安全隱患。本文通過分析確認(rèn)轉(zhuǎn)向彎臂斷裂的原因，并提出改進(jìn)措施。

圖1 根部斷裂故障照片

1 原因分析

1.1 理論分析

轉(zhuǎn)向彎臂所受的最大應(yīng)力為轉(zhuǎn)向器最大輸出力矩作用在彎臂上的作用力，通過材料力學(xué)對(duì)彎臂的受力情況分析如下：

首先根據(jù)轉(zhuǎn)向器的最大輸出力矩計(jì)算出作用在轉(zhuǎn)向彎臂上的最大作用力，如下式：

式中：F為轉(zhuǎn)向器作用在彎臂上最大作用力，N；M 為轉(zhuǎn)向器的最大輸出力矩，Nm；L為轉(zhuǎn)向器垂臂長(zhǎng)度，mm。

圖2 轉(zhuǎn)向彎臂的主要尺寸

圖2中轉(zhuǎn)向彎臂根部截面，主要受抗壓（拉）應(yīng)力和彎矩，具體計(jì)算如下：

式中：σ1為彎臂根部所受抗壓（拉）的應(yīng)力，Mpa；S為彎臂根部的受力面積，mm2；D為彎臂根部的直徑，mm。

式中：σ2為彎臂根部縱向所受彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力，Mpa；L2為縱向力臂長(zhǎng)度，mm；W為彎臂根部抗彎截面系數(shù)。

式中：σ3為彎臂根部橫向所受彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力，Mpa；L3為橫向力臂長(zhǎng)度，mm。

式中：σ為彎臂根部所受的合應(yīng)力，Mpa，n為轉(zhuǎn)向彎臂使用的安全系數(shù)；σs為彎臂材料（40Cr）的屈服強(qiáng)度，Mpa。故可通過下表1的參數(shù)計(jì)算出彎臂的安全系數(shù)為1.55＞1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 計(jì)算參數(shù)

1.2 CAE分析

根據(jù)2.1中計(jì)算的力，通過CAE分析軟件，對(duì)彎臂進(jìn)行受力分析，最大應(yīng)力在轉(zhuǎn)向彎臂根部，最大應(yīng)力為536.8Mpa，安全系數(shù)為1.52＞1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 轉(zhuǎn)向彎臂CAE分析圖

1.3 斷口宏觀分析

圖4 掃描電鏡（SEM）拍攝方案

將故障樣件切取、清洗后制得斷口試樣，對(duì)斷口三個(gè)區(qū)域進(jìn)行了掃描電鏡（SEM）拍攝方案，如圖4所示。裂紋源區(qū)的方案是從A點(diǎn)順時(shí)針方向沿圓周外表面到B點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)拍攝，預(yù)期找到所有的裂紋源；擴(kuò)展區(qū)的主要拍攝目的是尋找疲勞輝紋，確定裂紋擴(kuò)展方向；瞬斷區(qū)的方案是在其中選取特征點(diǎn)進(jìn)行拍攝，確認(rèn)瞬斷為韌性斷裂。

1.4 斷口微觀分析

對(duì)裂紋源區(qū)域掃描分析，如圖5所示，在黑色圓圈中，發(fā)現(xiàn)沿晶斷裂，對(duì)中心區(qū)域放大后，如圖6所示，可以看到典型的沿晶斷裂形貌。在斷面上端中心處，可以看到有明顯的加工損傷，可能是裂紋源。可以認(rèn)為，在彎臂投入使用前，此處存在裂紋，并在使用過程中造成應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。

圖5 裂紋源

圖6 中心部位局部放大

對(duì)擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行分析，如圖7和圖8所示，左右兩側(cè)分別顯示清晰的疲勞輝紋，擴(kuò)展方向如箭頭所指，且裂紋以解理機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)展。可以得出，裂紋擴(kuò)展方向是向下并且向中間集中。

圖7 左側(cè)端部疲勞輝紋

圖8 右側(cè)端部疲勞輝紋

圖9 瞬斷區(qū)微觀形貌

圖10 金相組織分布

對(duì)瞬斷區(qū)進(jìn)行分析，從圖9中可以看出，該斷裂為明顯的韌性斷裂。

1.5 金相分析

根據(jù)金相組織評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在距離表面10mm的區(qū)域觀察。拍攝金相組織分布如圖10所示，斷裂區(qū)域附近的組織為回火索氏體+鐵素體，根據(jù)GB/T 13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》評(píng)級(jí)為3級(jí)，組織分布均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.6 硬度分析

軸熱處理后表面硬度要求為 HB235~HB277。分別對(duì)故障件斷裂區(qū)域表面進(jìn)行硬度測(cè)試如表2所示，都能夠滿足要求。

表2 硬度測(cè)量

2 結(jié)論

通過以上結(jié)果可知，該轉(zhuǎn)向彎臂的強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，其斷裂的主要原因是在轉(zhuǎn)向彎臂投入使用前，轉(zhuǎn)向彎臂根部存在裂紋，并在使用過程中造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。重新制造試驗(yàn)樣件，并對(duì)樣件探傷合格后在整車上重新驗(yàn)證，未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。具體驗(yàn)證信息如下表3所示。

表3 整改后整車驗(yàn)證情況

[1] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社.2010.

[2] 劉昭度.汽車學(xué).高等級(jí)教育出版社.2012.

[3] 劉伯源.材料力學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2002.

[4] GB/T 13320-2007.鋼質(zhì)模鍛件金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法.

[5] 上海市機(jī)械制造工藝研究所有限公司,金相分析原理及技術(shù),上海可行技術(shù)文獻(xiàn)設(shè),2013.

Fracture analysis of steering bent arm for light truck

Jia Weiwei1, Wu Jiang2, Yuan ZhiMing3
( Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The steering bent arm is an important component of the automobile steering system. Once the steering bent arm breaks, it will lead to the steering of the vehicle out of control, and there is a great security risk. The fracture reasons of the steering bent arm were confirmed by the theoretical analysis, CAE and fracture analysis of the broken pieces, and the corrective measures were determined.

Steering bent arm; fracture; metallography

U463.4

A

1671-7988 (2017)21-144-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.048

CLC NO.: U463.4

A

1671-7988 (2017)21-144-03

賈偉偉，學(xué)士，工程師，就職于江淮汽車技術(shù)中心輕型商用車研究院。