發(fā)動(dòng)機(jī)支架失效分析及改進(jìn)

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(fā)動(dòng)機(jī)支架失效分析及改進(jìn)

徐萍，王化龍
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAE分析、鑄造工藝及熱處理工藝等方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架斷裂進(jìn)行了失效分析，查找到了失效原因。針對(duì)失效原因進(jìn)行了改進(jìn)，最終取得了顯著效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)反饋，某重卡車型發(fā)動(dòng)機(jī)支架失效問題頻發(fā)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)支架一端通過四條螺栓與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，一端通過減震墊固定在車架縱梁上。發(fā)動(dòng)機(jī)支架斷裂后，將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過對(duì)售后數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)支架斷裂頻高發(fā)于使用第3個(gè)月，首次故障里程在4萬(wàn)公里，屬車輛早期多發(fā)故障之一。

1、失效分析

1.1理化檢驗(yàn)

1.1.1斷裂位置及宏觀斷口觀察

對(duì)隨機(jī)抽取的2件失效件外觀觀察，斷裂位置均位于發(fā)動(dòng)機(jī)支架與減震器墊連接安裝面附近、發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)，源區(qū)附近多條臺(tái)階狀起裂棱，說明該處應(yīng)力較集中；擴(kuò)展區(qū)具有明顯的貝紋線特征，支架安裝面上方為最終瞬斷區(qū)。

其中1#斷裂面沿著支架寬度方向中心處，可見明顯的長(zhǎng)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(fā)現(xiàn)明顯的磕碰、擠壓等機(jī)械損傷。

1.1.2尺寸檢查

對(duì)兩件失效件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢查，均與圖紙要求相符合。

1.1.3硬度檢驗(yàn)

沿?cái)嗔鸭嗫诟浇Ъ軐挾确较蛉訙y(cè)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(xué)成分

對(duì)斷裂的發(fā)動(dòng)機(jī)支架化學(xué)成分分析見表1，結(jié)果表明，失效件材料化學(xué)成分均符合ZG270-500。

表1　斷裂件化學(xué)成分（w，%）

1.1.5組織

沿?cái)嗔鸭嗫诟浇佑^察，兩件失效件金相組織均為鐵素體+珠光體+殘余鑄態(tài)組織，為非正常正火組織，說明零件熱處理不良。

理化結(jié)果表明：失效支架尺寸、化學(xué)成分符合要求，但正火不良。

1.2生產(chǎn)過程調(diào)查

鑄造設(shè)計(jì)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(shè)置冒口目的是要消除縮孔，但必須估計(jì)到隨之而來(lái)的負(fù)面影響，即構(gòu)成工藝熱節(jié)和冒口頸處的砂尖角。故障件的斷裂口反映出冒口未對(duì)鑄件起到補(bǔ)縮作用，反而使得熱流在此處淤塞形成熱節(jié)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(jié)果表明，Z向受力最大（上、下方向承重點(diǎn)），分析最大受力點(diǎn)與斷裂位置一致，為零件承重的彎矩最大處；在工況1時(shí)靜態(tài)安全因子最小為1.955，其他工況下靜態(tài)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(qū)，無(wú)圓弧過渡，應(yīng)力較為集中；且筋板寬度僅為10mm，該處承載車輛運(yùn)行過程的震動(dòng)，為彎矩最大處，其有效承載力截面積相對(duì)較小，二者綜合產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成最終疲勞斷裂。

2、整改措施

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)支架背板結(jié)構(gòu)斜筋與安裝面連接處有效承載力截面積相對(duì)小，過渡圓弧不明顯，對(duì)此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)背板上的加強(qiáng)筋，通過大圓弧過渡，提高力學(xué)性能，同時(shí)有效減小該處應(yīng)力集中。

2.2CAE分析

對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，對(duì)比原結(jié)構(gòu)，改進(jìn)前后支架的最小靜態(tài)安全因子分別為1.955、3.059，第1種工況條件下，最小靜態(tài)安全因子為改進(jìn)前結(jié)構(gòu)的1.6倍；其他工況下安全因子均遠(yuǎn)高于改進(jìn)前。

2.3生產(chǎn)工藝變更

經(jīng)過工藝對(duì)冒口位置的調(diào)整，通過對(duì)鑄件的解剖及加工驗(yàn)證，原斷裂位置的縮孔缺陷有所改善，提高了力學(xué)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(shí)間不足，由于沒有完全奧氏體化，使得鑄態(tài)的粗晶和晶內(nèi)的針狀鐵素體沒有完全溶化，故保留了原始的殘余鑄態(tài)特征。試驗(yàn)表明，鑄鋼殘留鑄態(tài)組織對(duì)抗拉強(qiáng)度和延伸率影響不大，但對(duì)沖擊韌性影響極大，脆性較大。[2]通過調(diào)整，將正火熱處理工藝定為880℃保溫4小時(shí)，基體組織達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3、改進(jìn)效果跟蹤

自發(fā)動(dòng)機(jī)支架改進(jìn)切換后，未發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的支架斷裂，改進(jìn)效果顯著。

4、結(jié)語(yǔ)

1）發(fā)動(dòng)機(jī)支架尺寸、成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，造成其疲勞失效的主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，其次為鑄造及熱處理工藝不良。

2）通過零部件結(jié)構(gòu)、鑄造冒口位置及正火工藝的改善，結(jié)合CAE的模擬分析，確定改進(jìn)后的方案，支架使用后改善結(jié)果顯著。

[1]陳國(guó)楨,肖柯則,姜不居.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè).[M]機(jī)械工業(yè)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(yàn)-物理分冊(cè),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(jí)工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事質(zhì)量改進(jìn)工作。