拖車鉤強(qiáng)韌性的技術(shù)提升研究

張延京，李俊英

拖車鉤強(qiáng)韌性的技術(shù)提升研究

張延京1，李俊英2

（1.陜西風(fēng)潤(rùn)智能制造研究院有限公司，陜西 西安 712000；2.比亞迪汽車有限公司，陜西 西安 710100）

針對(duì)現(xiàn)役某車輛拖車鉤存在強(qiáng)韌性不足導(dǎo)致拖車鉤牽引拉脫的問題，通過優(yōu)化拖車鉤結(jié)構(gòu)和材料兩方面增加拖車鉤自身及連接部位的強(qiáng)韌性。采用有限元軟件HyperWorks對(duì)拖車鉤施加不同工況載荷進(jìn)行模擬驗(yàn)證，對(duì)載荷卸載后的拖車鉤殘余變形量進(jìn)行分析，分析表明，優(yōu)化后的拖車鉤較原狀態(tài)的殘余變形量降低，拖車鉤的屈服強(qiáng)度有所提升，采用熱處理方式可提升拖車鉤用40CrMo鋼材料的沖擊韌性。研究了淬火后回火保溫時(shí)間對(duì)40CrMo鋼組織性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，熱處理工藝為790 ℃淬火+560 ℃回火，材料的沖擊韌性隨著回火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而提升。

拖車鉤；有限元；屈服強(qiáng)度；回火保溫時(shí)間；沖擊吸收功

拖車鉤是牽引車輛時(shí)的主要承載及安全保護(hù)裝置。拖車鉤工作中既承受拉力又承受壓力，其斷裂不僅會(huì)引起車身零件損壞，而且對(duì)人身安全造成直接或間接傷害[1]。根據(jù)拖鉤安裝方式不同，可分為擰緊式結(jié)構(gòu)和焊接式結(jié)構(gòu)[2]。擰緊式結(jié)構(gòu)一般布置在縱梁側(cè)，安裝在防撞梁上；焊接式結(jié)構(gòu)布置形式多樣，可焊接在縱梁側(cè)、副車架上或者后地板底部。圖1為安裝在防撞梁上的擰緊式拖車鉤結(jié)構(gòu)和安裝在后縱梁上的焊接式拖鉤結(jié)構(gòu)。

圖1 擰緊式與焊接式拖車鉤結(jié)構(gòu)示意

汽車設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，主要借助計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）有限元方法，對(duì)拖車鉤的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝方式等進(jìn)行剛強(qiáng)度方面的有限元模擬分析。而采用熱處理手段也可以通過改變拖車鉤材料微觀組織結(jié)構(gòu)達(dá)到改善拖車鉤宏觀的強(qiáng)度、硬度和韌性從而延長(zhǎng)零件的使用壽命[3]。通過熱處理方式可以縮小微觀晶粒尺寸及增加韌性，從而提升材料的力學(xué)性能[4]。本文通過優(yōu)化拖車鉤結(jié)構(gòu)和拖車鉤材料兩方面提升拖車鉤自身及連接部位的強(qiáng)韌性。采用有限元軟件HyperWorks對(duì)拖車鉤施加不同工況載荷進(jìn)行模擬驗(yàn)證，對(duì)載荷卸載后的拖車鉤殘余變形量進(jìn)行分析，通過分析結(jié)果優(yōu)化拖車鉤結(jié)構(gòu)，達(dá)到提升拖車鉤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的。采用熱處理手段，通過改變拖車鉤用40CrMo材料的微觀組織達(dá)到提升拖車鉤沖擊韌性的目的[5-6]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)合有限元方法提升拖車鉤強(qiáng)度

本文以現(xiàn)役拖車鉤方案為基礎(chǔ)，通過對(duì)標(biāo)標(biāo)桿車型，設(shè)計(jì)優(yōu)化拖車鉤系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入HyperWorks軟件中進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析，采用有限元手段分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度差異。

1.1 拖車鉤優(yōu)化結(jié)構(gòu)三維模型建立

在原結(jié)構(gòu)拖車鉤方案的基礎(chǔ)上，在拖車鉤尾部增加一個(gè)U型焊接加強(qiáng)件，該加強(qiáng)件與車架前端采用二氧化碳保護(hù)焊形式連接，如圖2所示，同時(shí)將拖車鉤現(xiàn)用材料45鋼更改為40CrMo。

圖2 原拖車鉤與優(yōu)化方案對(duì)比

1.2 拖車鉤系統(tǒng)材料屬性

拖車鉤及加強(qiáng)板的材料信息如表1所示。

1.3 拖車鉤系統(tǒng)有限元模型建立

有限元模型描述如下：

模型中的拖車鉤本體及焊縫采用solid單元，鈑金組件采用shell單元，網(wǎng)格尺寸大小設(shè)為4 mm，如圖3所示。

拖鉤強(qiáng)度分析計(jì)算邊界條件設(shè)定：

施加固定約束：按照?qǐng)D3所示的有限元模型對(duì)車身截?cái)嗵庍M(jìn)行全約束；

拖車鉤工況加載：根據(jù)GB 32087－2015要求，過拖鉤中心位置且平行于車輛縱向垂直面的水平線，沿垂直方向5°、水平方向25°分別施加拉伸和壓縮的靜載荷，加載示意如圖4所示。牽引裝置能承受的靜載荷按式=0.5計(jì)算，其中取整車滿載質(zhì)量（此處=3 495 kg）。

表1 拖車鉤及加強(qiáng)板材料信息表

材料密度/(t·mm?3)泊松比彈性模量/MPa屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa 45鋼(原拖車鉤)7.85E?90.3210 000355600 40CrMo(優(yōu)化方案拖車鉤)7.85E?90.3210 000785980 SAPH440(加強(qiáng)板)7.85E?90.3210 000280440

圖3 拖車鉤強(qiáng)度分析有限元模型

1.4 拖車鉤系統(tǒng)有限元分析結(jié)果

按照上述拖車鉤有限元模型設(shè)定的邊界條件，采用HyperWorks有限元分析軟件對(duì)優(yōu)化方案的拖車鉤進(jìn)行模擬工況加載并卸載，拖鉤卸載殘余變形位移云圖如圖5所示。

優(yōu)化方案拖車鉤卸載殘余變形分析結(jié)果與原方案對(duì)比如表2所示。

表2 優(yōu)化方案拖車鉤卸載殘余變形量與原方案和對(duì)標(biāo)車型對(duì)比表

施加的應(yīng)力及方向優(yōu)化方案拖車鉤形變值/mm原方案拖車鉤形變值/mm對(duì)標(biāo)車型拖車鉤形變的設(shè)計(jì)值/mm 5°pull0.0040.5141 5°press0.0030.3811 25°pull0.3630.9831 25°press0.5861.1641

從圖5和表2可以看出，當(dāng)施加不同工況載荷并卸載時(shí)，優(yōu)化后的拖車鉤殘余變形量模擬結(jié)果均小于原方案和對(duì)標(biāo)車型拖車鉤方案，說明優(yōu)化后的拖車鉤在承受牽引力時(shí)，自身不會(huì)發(fā)生明顯塑性變形或斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，拖車鉤結(jié)構(gòu)剛度得到提升。

2 熱處理對(duì)拖車鉤材料微觀組織和沖擊韌性的影響

在第1章節(jié)已通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、增加加強(qiáng)件及更改高牌號(hào)材料提升了拖車鉤系統(tǒng)的屈服強(qiáng)度，本小節(jié)采用熱處理工藝，通過改變拖車鉤材料40CrMo鋼的微觀組織，在不更改拖車鉤宏觀結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)一步增加拖車鉤的沖擊韌性。

2.1 試驗(yàn)材料成分

試驗(yàn)材料40CrMo化學(xué)成分如表3所示。

表3 40CrMo鋼的化學(xué)成分

元素CSiMnCrMo其他雜質(zhì) Wt/%0.420.280.651.00.25≤0.02

2.2 熱處理方案設(shè)定

試驗(yàn)材料的淬火溫度設(shè)定為790 ℃±5 ℃，淬火冷卻介質(zhì)采用20%水溶性PAG（Polyaleneglycol）淬火液。

回火溫度設(shè)定為560 ℃±5 ℃，設(shè)定的回火保溫時(shí)間分別為1 h、2 h、3 h，根據(jù)回火保溫時(shí)間的不同將試驗(yàn)材料分成3組進(jìn)行驗(yàn)證，每組試驗(yàn)加工3塊缺口沖擊試樣。

2.3 缺口沖擊試樣檢測(cè)

選用ZBC2302N-3型金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，沖擊功能量選擇300 J，缺口沖擊試樣如圖6所示。

圖6 缺口沖擊試樣示意圖

2.4 回火保溫時(shí)間對(duì)材料組織的影響

圖7為40CrMo鋼790 ℃淬火后560 ℃回火保溫時(shí)間1 h的金相組織。可以看出，560 ℃保溫1 h的組織為深色顆粒狀的回火索氏體和亮白色塊狀的鐵素體組織，保溫1 h的索氏體組織比較細(xì)化，白色塊狀鐵素體分布在晶粒界面。

圖7 790 ℃淬火560 ℃回火保溫1 h金相組織

圖8為40CrMo鋼790 ℃淬火后560 ℃回火保溫時(shí)間2 h的金相組織。可以看出，回火保溫時(shí)間為2 h的組織為回火索氏體和未奧氏體化的鐵素體組織，與回火保溫時(shí)間為1 h的組織相比，保溫時(shí)間2 h的回火索氏體組織顆粒有所長(zhǎng)大，呈白色塊狀鐵素體分布在晶粒界面。

圖8 790 ℃淬火560 ℃回火保溫2 h金相組織

圖9為40CrMo鋼790 ℃淬火后560 ℃回火保溫時(shí)間3 h的金相組織。可以看出組織中大多為回火索氏體，與回火保溫時(shí)間2 h組織相比，索氏體組織中碳化物顆粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。

從40CrMo鋼不同回火保溫時(shí)間的組織變化可以看出，回火保溫1 h，回火組織為細(xì)化的索氏體組織和殘留鐵素體組織，2 h回火，回火索氏體顆粒尺寸增加。保溫時(shí)間3 h，索氏體組織進(jìn)一步粗化。

圖9 790 ℃淬火560 ℃回火保溫3 h金相組織

2.5 回火保溫時(shí)間對(duì)材料沖擊吸收功的影響

表4是40CrMo鋼在不同回火保溫時(shí)間下的沖擊吸收功對(duì)比，可以看出，隨著回火保溫時(shí)間的提高，沖擊吸收功有上升。回火保溫時(shí)間3 h，沖擊吸收功為63.3 J。

表4 不同回火保溫時(shí)間下材料的沖擊吸收功

回火保溫時(shí)間/h沖擊吸收功/J 142.4 251.9 363.3

材料的沖擊吸收功隨回火保溫時(shí)間延長(zhǎng)而增大的原因是：回火保溫過程中馬氏體分解，形成了碳化物數(shù)量較多的回火索氏體組織，馬氏體基體及其合金元素的過飽和度降低，塑韌性增加，提高了沖擊韌性。

3 結(jié)論

改變拖車鉤材質(zhì)及增加U型加強(qiáng)板，可以提高拖車鉤自身在承受牽引力時(shí)的剛度，保證拖車鉤自身不發(fā)生明顯塑性變形，同時(shí)提高了拖車鉤與車架連接部位的強(qiáng)度。拖車鉤用40CrMo鋼采用790 ℃淬火、560 ℃回火的工藝，隨著回火保溫時(shí)間的提高，拖車鉤用40CrMo鋼的沖擊韌性隨之升高，回火保溫時(shí)間3 h，沖擊吸收功為63.3 J。

[1] 賴劼修,張燕.純電動(dòng)物流車拖車鉤斷裂失效研究與設(shè)計(jì)[J].熱加工工藝,2020,49(18):157-160.

[2] 石錦.拖車全工況的仿真效率提升[J].上海汽車,2020 (9):45-53.

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Study on Technology of Improving the Strength and Toughness of Trailer Coupler

ZHANG Yanjing1, LI Junying2

( 1.Shaanxi Fengrun Intelligent Manufacturing Research Institute Company Limited, Xi'an 712000, China;2.BYD Automobile Company Limited, Xi'an 710100, China)

In order to improve the strength and toughness of the trailer coupler and its connecting parts, the structure of the trailer coupler and the material of the trailer coupler are optimized. Using the finite element software HyperWorks to simulate and verify the trailer coupler under different working conditions, and to analyzethe residual deformation of the trailer coupler after unloading. The analysis shows thatthe residual deformation of the optimized trailer coupler is lower than that of the original one, and the yield strength of the structure of the trailer coupler is improved. The impact toughness of 40CrMo steel for trailer coupler can be increased by heat treatment. The effect of tempering time after quenching on the microstructure and properties of 40CrMo steel is studied, the process of heat treatment is 790 ℃quenching+560 ℃ tempering. The impact toughness of the material increases with the prolongation of tempering holding time.

Toughness of the trailer coupler;Finite element; Yield strength; Tempering holding time; Impact absorption work

U462

A

1671-7988(2023)18-117-05

張延京（1991－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚱Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料，E-mail:408832340@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.023