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(yè)過(guò)程中，既承受著事故車輛的大部分重量，同時(shí)還要承受由于車輛制動(dòng)、上下坡等路況引起的多種復(fù)雜交變應(yīng)力，這就要求托叉必須具有承載能力高、抗疲勞的特點(diǎn)。托叉工作狀態(tài)見(jiàn)圖1。清障車在用戶使用過(guò)程中托叉銷軸發(fā)生了斷裂，托叉銷軸采用的材料為40Cr，銷軸進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理。我們對(duì)其材料成分、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析，以了解其斷裂原因。

圖1 托叉工作狀態(tài)

2 原因分析

2.1 材料分析

若所用材料含碳量過(guò)低，易于造成材料的強(qiáng)度和硬度不夠，若材料含碳量過(guò)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(diào)質(zhì)過(guò)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(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果證實(shí)所采用的材料成分符合GB/T 3077-1999對(duì)40r材料的成分要求，見(jiàn)表1。

托叉銷軸要求調(diào)質(zhì)處理，硬度要求為245～295 HRC，經(jīng)測(cè)量硬度達(dá)到其設(shè)計(jì)要求。

表1 托叉軸材料40Cr化學(xué)成分分析 /%

2.2 強(qiáng)度校核

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

強(qiáng)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(shè)計(jì)過(guò)渡圓角處，因加工的原因造成此處無(wú)明顯圓角，斷裂處有幾道裂紋。

從端面形狀可分為三個(gè)區(qū)域：即裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。上下比較平坦為疲勞區(qū)，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(jiàn)圖2，表明有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 斷裂面

2.4 結(jié)構(gòu)分析

該銷軸在設(shè)計(jì)上出于成本考慮沒(méi)采用整體加工，而采用兩零件焊接而成，見(jiàn)圖3；銷軸與圓板通過(guò)上下焊接連接為一體，下面焊接處通過(guò)焊后加工從而形成R1的軸肩的過(guò)渡圓角。

因托叉銷軸焊后機(jī)加存在一定的難度，在機(jī)加過(guò)程中很難保證R1的過(guò)渡圓角，易造成應(yīng)力集中；實(shí)際觀察斷裂的托叉其軸肩處本應(yīng)預(yù)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(jìn)行圓周焊接，40Cr鋼是中碳低合高強(qiáng)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(qū)中產(chǎn)生裂紋。焊接后，產(chǎn)生的熱量迅速擴(kuò)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(yīng)力集中，易于在焊接處產(chǎn)生焊接裂紋。裂紋在在突變沖擊力作用下逐漸擴(kuò)展并產(chǎn)生疲勞斷裂。

圖3 托叉銷軸原結(jié)構(gòu)

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由托叉銷軸的斷裂情況分析可知，應(yīng)力集中是造成銷軸斷裂的主要原因。對(duì)原造成應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改，托叉銷軸改進(jìn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 托叉銷軸改進(jìn)結(jié)構(gòu)

（1）銷軸軸肩處圓角由原設(shè)計(jì)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(yīng)力集中。（2）應(yīng)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(jié)構(gòu)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大，下部不焊接，從而避開最大受力處因焊接產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

（1）銷軸斷裂主要原因在于應(yīng)力集中，因此銷軸在設(shè)計(jì)加工過(guò)程中應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中，圓角設(shè)計(jì)要合理，加工表面要光潔；操作手冊(cè)及培訓(xùn)用戶時(shí)嚴(yán)格要求用戶按規(guī)范操作，切不可超載、違規(guī)操作。

（2）經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的托叉銷軸在使用中再?zèng)]有出現(xiàn)斷裂，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)也不是最優(yōu)的，批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)考慮此零件更改為鍛造件。