不同熱處理和加工工藝對扭桿疲勞性能影響分析

摘要：為了分析不同狀態下扭桿部件的疲勞性能表現，本文首先分析了扭桿的疲勞受力情況和實際工作過程中常見的疲勞斷裂部位，并進一步研究了影響扭桿疲勞性能的幾大影響因素：材料特性、結構設計、加工方式和熱處理形式。通過疲勞拉伸試驗，發現等溫淬火熱處理顯著優于QT 熱處理，而加工工藝對疲勞性能影響不明顯。通過分析以期指導生產制造中的扭桿實際工藝的優化，進而提高扭桿整體剛度及可靠性。

關鍵詞：扭桿疲勞特性；QT ；等溫淬火；疲勞拉伸試驗

中圖分類號：U466 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.03.003

0 引言

轉向扭桿作為轉向系統傳遞扭矩的關鍵零部件，承擔著傳遞扭矩與助力轉向的重要任務。乘用車轉向系統幾乎都采用轉閥式轉向控制閥，而扭桿正是這一核心部件的關鍵組成部分[1～2]。具體而言，扭桿的前端通過花鍵與轉向齒輪緊密相連，后端則借助銷子與轉向軸實現可靠連接，從而確保扭桿能夠高效地帶動整個轉向系統完成轉向操作。

在實際操作過程中，扭桿會不斷受到周期性的彎曲和扭轉等復雜交變應力的作用。為了應對這些應力，扭桿必須充分利用其彈性變形特性來有效吸收和釋放能量。因此，對扭桿的材料提出了嚴格要求，特別是需要具備高的彈性極限和卓越的疲勞強度[3]。但疲勞強度的表現受到多種因素的共同影響。本文旨在深入剖析生產中常見的扭桿疲勞破壞形式，并系統探討影響扭桿疲勞強度的主要因素，以期為扭桿的設計與制造提供有益的參考。

1 常見的疲勞斷裂問題

從圖1 可以看出，扭桿的結構一般為圓柱狀桿體，其兩端配合部分的直徑相較于中部直徑有所增大。這種設計使得桿體的一端能夠與轉向輸入軸緊密配合，而另一端則與轉向軸或其他部件進行有效連接。當扭桿的一端受到外力作用時，由于力矩的作用，扭桿會產生相應的扭矩，并同時發生彈性變形，從而將扭矩有效地傳遞至另一端。

作為轉向系統中的核心部件，扭桿主要承受的是扭轉載荷。由于最大應力往往集中在扭桿的表面，因此疲勞斷裂現象通常首先出現在扭桿的薄弱部位。在實際運行過程中，扭桿可能遭遇多種疲勞斷裂情況，如圖2 所示，這些斷裂部位往往反映了扭桿在不同工況下的受力特點和潛在弱點。

選取了多種常見的扭桿系列，包括光桿式調質扭桿、花鍵式等溫淬火扭桿及花鍵式局部退火扭桿等。分析對比在不同加工狀態和熱處理方式下，扭桿具有不同的疲勞特性，是否能夠滿足不同工作環境和負載條件下的需求。

為了深入研究扭桿的疲勞性能，我們選取了多種具有代表性的扭桿系列進行分析，包括光桿式調質扭桿、花鍵式等溫淬火扭桿以及花鍵式局部退火扭桿等。通過對比這些扭桿在不同加工狀態和熱處理方式下的疲勞特性，旨在探究它們在不同工作環境和負載條件下的適應性及性能表現，從而為扭桿的優化設計和生產制造提供科學依據。

2 影響扭桿疲勞性能的主要因素

2.1 材料特性

本實驗對象扭桿的主要材料為51CrV4 合金，其詳細的化學成分如表1 所示。

在51CrV4 圓鋼中，通過加入適量的碳和合金元素，可以穩定材料的組織狀態，提高其對微量塑性變形的抗力和抗松弛性能。這種合金化設計確保了材料具有較高的淬透性，經過適當的熱處理后，能夠獲得優異的高強度和彈性極限。此外，為了避免非金屬夾雜物對材料性能的不利影響，應盡量減少其含量。因為存在于表面的夾雜物是應力集中的源頭，可能導致該處過早地產生疲勞裂紋，從而縮短扭桿的使用壽命。表2 列出了該批扭桿試驗樣件的力學性能，均符合標準要求。

值得注意的是，扭桿的性能不僅受材料成分的影響，還受到制造工藝、熱處理方式、使用環境等多種因素的共同作用。因此，在設計和制造扭桿時，需要全面考慮這些因素，通過優化工藝參數和改善使用環境，以實現扭桿性能的最佳表現。

2.2 結構設計

如圖1 所示，扭桿的設計結構通常由多個不同直徑的段組成。這種設計是為了彌補扭桿端部因應力集中而對連接部位強度可能造成的削弱。為了確保扭桿端部與直桿部分具有等強度的要求，通常將兩端的直徑設計得比工作直徑大。

在圖3 的示例中，為了避免應力集中現象，扭桿的結構設計時往往采用圓弧連接作為過渡部分。這種設計不僅減小了應力集中的風險，還提高了結構的整體強度。此外，扭桿的一端常被加工成花鍵形狀，這種設計不僅便于裝配，更重要的是能夠使作用于扭桿和連接件之間的載荷分布更加均勻。通過均勻分布載荷，可以有效避免因應力集中而導致的扭桿早期斷裂問題，從而延長扭桿的使用壽命。

2.3 加工方式

扭桿在承受高應力環境下工作時，其最大應力往往發生在材料表面。因此，扭桿的表面質量對疲勞強度具有至關重要的影響。表面粗糙度越大，應力集中現象越顯著，從而導致疲勞強度降低。如圖3 所示，對于扭桿的不同區域（ 如① ～ ④標記的部分），需要采用不同的加工參數進行精細加工，以確保表面質量達到最佳狀態，進而提升扭桿的疲勞壽命。

2.4 熱處理狀態

熱處理對扭桿的性能具有顯著影響[4]。通過適當的熱處理，可以提高扭桿的扭矩強度和其他力學性能。在工程實際中，扭桿常采用QT 熱處理和等溫淬火2 種方式進行熱處理。QT 熱處理方式主要用于優化材料的機械性能。該方式首先通過淬火快速冷卻，使工件獲得高硬度和高強度；隨后進行回火處理，以消除淬火過程中產生的殘余應力，提高工件的韌性和塑性，降低脆性。等溫淬火則是另一種有效的熱處理方式。在淬火加熱后，工件被長時間保持在下貝氏體轉變區的溫度范圍內，以完成奧氏體的等溫轉變，最終獲得下貝氏體組織。

圖4 所示為2 種熱處理后的扭桿金相組織情況。經過QT熱處理的扭桿，其金相組織主要由回火屈氏體和索氏體組成；而經過等溫淬火的扭桿，則展現出清晰的下貝氏體組織。

3 疲勞剛度臺架試驗

扭桿疲勞性能可通過疲勞試驗測試臺開展模擬扭桿在實際使用過程中的疲勞和剛度性能，進一步評估扭桿在不同工作條件下的耐久性和疲勞壽命，以確保其在使用過程中的安全性與可靠性。通過長時間的高速、高負荷運行，觀察扭桿在不同加載條件下的應力分布狀況、變形情況以及疲勞斷裂的臨界點等性能是否滿足產品要求與設計要求，為扭桿產品的設計提供依據。圖5 展示了扭桿試驗樣件的組裝狀態。

4 試驗結果分析

在本次試驗中，我們設定了特定的扭桿加工參數，包括砂輪轉速為1 450 r/min，導輪轉速為28 r/min，以及砂輪修磨頻次150 只/ 次。根據扭桿不同部位的尺寸和結構要求，加工進給速度分別被設置為F80、F450、F300 和F350 4 種不同的速度。同時，我們進行了QT 熱處理和等溫淬火熱處理的2 組對比實驗，每組實驗均選取了5 根扭桿，并在頻率5 Hz、偏轉角度7.2°、運行次數50 萬次的條件下進行了疲勞剛度試驗。

分析上表數據可知，等溫淬火狀態下的極限扭矩角度約為QT 狀態的3 倍，疲勞強度也優于QT 狀態；2 種熱處理狀態的極限扭矩無明顯差異；粗糙度差異對零件極限強度無明顯變化，零件斷裂均為細桿部分。

5 結論

綜上所述，通過全面分析扭桿疲勞特性的影響因素，特別是深入研究了扭桿的加工方式和熱處理狀態對其疲勞特性的影響情況，我們得出了一系列有價值的結論。這些結論不僅為實際生產制造中的扭桿加工工藝優化提供了科學依據，還有助于顯著提升扭桿的整體剛度和可靠性，從而為企業有效降低了產品生產過程中的試錯成本。

參考文獻

[1] 王彥才.車輛扭桿彈簧設計與制造[M].北京：國防工業出版社，1996：25．

[2] 王書艷，李仁強.汽車動力轉向器扭桿疲勞失效研究[J].汽車零部件，2011（07）：83-85.

[3] 董宗豪，謝南星，路彩虹.不同載荷作用下外包覆保溫油管隔熱性能試驗研究[J].石油管材與儀器，2024，10（02）：36-40+46.

[4] 江海濤，趙俊平.熱處理及機加工藝對汽車轉向器疲勞壽命影響研究[J].汽車科技，2019（02）：70-73.