淺析汽車零部件疲勞試驗(yàn)

【摘要】疲勞是汽車零部件的基礎(chǔ)屬性之一，各類部件的疲勞上限和下限很大程度上影響著汽車性能，了解其疲勞問題、試驗(yàn)方法是對零部件疲勞屬性進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)?；诖?，本文以汽車零部件疲勞破壞過程作為切入點(diǎn)，從宏觀和微觀角度展開分析，再以此為基礎(chǔ)，分別就汽車零部件疲勞分析計算、汽車零部件疲勞試驗(yàn)設(shè)計、汽車零部件疲勞試驗(yàn)過程與結(jié)果展開論述，為后續(xù)工作的開展提供參考。

【關(guān)鍵詞】汽車零部件；疲勞試驗(yàn)；循環(huán)載荷；塑性應(yīng)變；彈性應(yīng)變

零部件疲勞強(qiáng)度是其質(zhì)量的核心指標(biāo)，是指材料經(jīng)無限多次交變載荷作用而不會產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。通常情況下，任何金屬材料都不可能做無限多次交變載荷試驗(yàn)，當(dāng)其作為汽車零部件投入使用后，會在長期工作中出現(xiàn)種種形變，損傷零部件功能，當(dāng)這種損傷積累達(dá)到一定限度，就會出現(xiàn)破壞。疲勞試驗(yàn)可對零部件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行測試，了解參數(shù)并尋求改進(jìn)。

一、汽車零部件疲勞破壞過程

汽車零部件的疲勞破壞可分為多種類型，但其基本原理是相同的，即零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部最高應(yīng)力處的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成較大裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。換言之，零部件的疲勞破壞分為裂紋形成、擴(kuò)展和瞬斷3個階段。對常規(guī)的疲勞破壞進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)大部分零部件的初始破壞往往出現(xiàn)于亞表面，即從大晶粒處穿晶斷裂，形成亞微觀的疲勞裂紋，這種裂紋可能十分微小，無法得到發(fā)覺，在零部件持續(xù)工作中，受到外荷載的影響，裂紋會沿切應(yīng)力方向持續(xù)擴(kuò)大，造成較大的裂紋，使零部件嚴(yán)重破損。

宏觀上看，可著眼于零部件的塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變兩個指標(biāo)。在汽車零部件工作過程中，循環(huán)荷載是持續(xù)存在的，其應(yīng)力水平隨工作態(tài)勢的變化存在差異，當(dāng)應(yīng)力處于較低水平時，零部件的彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，隨著應(yīng)力水平的持續(xù)提升，塑性應(yīng)變不斷積累，漸漸成為主導(dǎo)疲勞破壞的核心因素。因此，單純以塑性應(yīng)變/彈性應(yīng)變的應(yīng)力水平進(jìn)行疲勞壽命的描述，都是不科學(xué)的。綜合對兩類應(yīng)變進(jìn)行考慮，可明確一個關(guān)鍵指標(biāo)，即“過渡壽命點(diǎn)”，過渡壽命點(diǎn)P的右側(cè)，表示低應(yīng)力水平循環(huán)區(qū)，是彈性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)的區(qū)域，過渡壽命點(diǎn)P的左側(cè)，表示高應(yīng)力水平循環(huán)區(qū)，是塑性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)的區(qū)域，塑性應(yīng)變（線條1）、彈性應(yīng)變（線條2）和總應(yīng)變（線條3）的壽命曲線如圖1所示。

二、汽車零部件疲勞分析計算

嘗試進(jìn)行汽車零部件的疲勞分析，首先要明確疲勞破壞的類型，按一般疲勞發(fā)生的態(tài)勢來看，可以將零部件疲勞分為高周疲勞和低周疲勞，“周”即循環(huán)周期，高周疲勞也即長期工作負(fù)載下導(dǎo)致的積累性疲勞破壞，如零部件檢修周期長、工作壓力大導(dǎo)致的壓力性裂紋等。低周疲勞多指負(fù)載驟然加大導(dǎo)致的突發(fā)性破壞，這種破壞的基礎(chǔ)也是小裂紋和一定的工作疲勞，因此不考慮純粹的撞擊破壞。

以不同的工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)，汽車零部件的疲勞破壞還可以分為高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞和隨機(jī)疲勞，高溫疲勞是指作業(yè)溫度較高情況下，零部件出現(xiàn)的破壞，較為典型的是形變和衍生裂縫。低溫疲勞與之對應(yīng)，汽車零部件在低溫環(huán)境下脆性增加，機(jī)械強(qiáng)度會出現(xiàn)下降。熱疲勞是指與汽車電力系統(tǒng)存在連接的部件，在電力影響下出現(xiàn)的氧化等問題。腐蝕疲勞是指在汽車零部件工作中被酸堿物質(zhì)、水侵蝕造成的破壞。接觸疲勞是指啟動、使用過程中，互相產(chǎn)生摩擦、碰撞導(dǎo)致破壞的零部件。隨機(jī)疲勞是指不帶有規(guī)律性的零部件疲勞破壞情況，可與上述疲勞情況共同存在。

在工程中應(yīng)用的疲勞壽命估算方法有兩類，一類是常規(guī)疲勞設(shè)計中根據(jù)S—N曲線，應(yīng)用線性疲勞累積損傷理論進(jìn)行壽命估算，這種方法稱為名義應(yīng)力法，得到的是總壽命。也即圖1所示的塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變和總應(yīng)變壽命曲線，評估結(jié)果帶有宏觀價值，能夠直接指導(dǎo)后續(xù)的零部件優(yōu)化作業(yè)。另一類是用局部應(yīng)力一應(yīng)變法估算裂紋形成壽命，用斷裂力學(xué)估算裂紋擴(kuò)展壽命，兩者之和為總壽命，該方式需要通過復(fù)雜的參數(shù)計算和模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)一般包括開放性、約束性兩種。開放性試驗(yàn)取固定的試驗(yàn)對象，不斷增加外荷載，模擬工作態(tài)勢，了解零部件出現(xiàn)疲勞破壞的時間，約束性試驗(yàn)取固定的疲勞破壞級別，通過調(diào)整負(fù)載的方式了解該級別下汽車零部件的工作情況。目前，國內(nèi)部分機(jī)構(gòu)以零部件疲勞試驗(yàn)臺架進(jìn)行汽車零部件的性能測試，收效較為良好。

三、汽車零部件疲勞試驗(yàn)設(shè)計

對汽車零部件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，一般需考慮零部件的受力態(tài)勢，由于相當(dāng)一部分零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜（復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件也往往是疲勞試驗(yàn)的主要對象），需應(yīng)用有限元分析法，對零部件不同受力區(qū)域進(jìn)行劃分。以零部件疲勞試驗(yàn)臺架作為測試設(shè)備，還需要進(jìn)行參數(shù)的處理，在本次試驗(yàn)設(shè)計中，零部件疲勞試驗(yàn)臺架的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

以控制臂總成的疲勞分析為例，控制臂總成是安全部件，多位于汽車底盤處，在有限元分析法下，對其不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用SOUD模型，同時采用四面體單元劃分網(wǎng)格。單元長度為5.5mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)23245，單元數(shù)69955?？紤]到控制臂總成在實(shí)際工作中不是獨(dú)立工作的，對其邊界效應(yīng)進(jìn)行分析，額外增加4個彈簧元，材料特性彈性模量取實(shí)測值，固定為2.08105N/mm2，泊松比默認(rèn)為0.27，邊界約束采用放松自由度與彈簧元處理，載荷大小為5.4kN。該控制臂為焊接結(jié)構(gòu)，分上下兩個沖片，以橡膠襯套和球絞與其他部件相連，疲勞試驗(yàn)要求考察控制臂的疲勞裂紋破壞情況，采用名義應(yīng)力法計算疲勞壽命，有限元建?？刂票鄣膸缀文Ｐ?，通過CAD軟件生成，然后由MSC/PATRAN讀入。

四、汽車零部件疲勞試驗(yàn)過程與結(jié)果

疲勞試驗(yàn)的主要目的為考察控制臂總成在汽車加速和制動情況下的耐久性，分為三組，第一組為開放性試驗(yàn)，了解控制臂總成在不同工作態(tài)勢下，是否出現(xiàn)疲勞破壞。默認(rèn)載荷頻率為1Hz，波峰為+1，波谷為-0.799，振幅默認(rèn)為5.2kN（正弦載荷），試驗(yàn)中累計模擬震動2.8105次，左右兩側(cè)控制臂默認(rèn)為2個。4個樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果上看，當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過900000次時，樣本會出現(xiàn)斷裂；當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過800000次時，樣本出現(xiàn)裂紋；當(dāng)循環(huán)次數(shù)低于800000次時，樣本完好。這表明汽車零部件疲勞破壞受到循環(huán)壓力的顯著影響。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行第二組試驗(yàn)。第二組試驗(yàn)為約束性試驗(yàn)，將默認(rèn)參數(shù)代入有限元模型中，設(shè)置約束條件為控制臂總成性能完好，變量條件為負(fù)載值，默認(rèn)載荷頻率為1Hz，波峰為+1，波谷為-0.799，振幅默認(rèn)為5.2kN（正弦載荷），試驗(yàn)中累計模擬震動2.8105次，左右兩側(cè)控制臂默認(rèn)為2個。4個樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

從結(jié)果上看，在約束性試驗(yàn)下，樣本的工作態(tài)勢同樣與工作負(fù)載直接相關(guān)，工作壓力越大，其破壞情況越嚴(yán)重。第三組試驗(yàn)主要選取加工尺寸、處理工藝不同的材料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果上看，不同尺寸和工藝下，樣本的疲勞強(qiáng)度也存在差異，其基本變化的規(guī)律性為：尺寸上越規(guī)范、表面處理工藝越理想（毛刺少），零部件的應(yīng)力分散越平均，其疲勞壽命越理想。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

五、試驗(yàn)分析

對三組試驗(yàn)進(jìn)行分析，獲取汽車零部件疲勞影響因素和應(yīng)對方法如下。

（一）汽車零部件疲勞影響因素

汽車零部件疲勞影響因素包括三個方面，一是平均應(yīng)力，二是應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，三是尺寸和加工工藝。平均應(yīng)力的影響在第一組、第二組試驗(yàn)中體現(xiàn)得較為明顯，無論采取何種試驗(yàn)方式，性能相近的零部件均會在持續(xù)的工作壓力下出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。所生成的材料特性曲線，都是在對稱循環(huán)下的材料疲勞曲線，各類零部件在實(shí)際工作中面臨的載荷是極為復(fù)雜的，隨機(jī)疲勞的存在也會增加零部件的破損的可能。

應(yīng)力集中和應(yīng)變集中的影響，分別體現(xiàn)在高周疲勞和低周疲勞兩個方面。在零部件的截面幾何形狀突然變化處，容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。從控制臂疲勞試驗(yàn)上看，應(yīng)力集中的部分，基本上是疲勞容易發(fā)生破壞的區(qū)域。如控制臂總稱的轉(zhuǎn)彎處，在有限元分析中，發(fā)現(xiàn)其受力水平為兩端的2.5倍以上，在制動過程中則可能達(dá)到兩端受力水平的3.5倍以上，導(dǎo)致長期工作疲勞累積，出現(xiàn)裂紋和斷裂。應(yīng)變集中則會導(dǎo)致低周疲勞，主要體現(xiàn)在一些荷載驟然增加的情況下。尺寸和加工工藝的影響相對較小，該問題目前來看是相對可控的。

（二）汽車零部件疲勞影響因素的應(yīng)對方式

嘗試提升汽車零部件疲勞壽命，應(yīng)對上述問題，可就三個方面入手，一是合理進(jìn)行選材，二是加強(qiáng)表面處理，三是優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)。選材方面，要求注意滿足靜強(qiáng)度要求，同時確保材料具有良好的抗疲勞性能。從試驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，所有零部件的使用都不可避免地存在老化問題，但在兩個核心指標(biāo)（塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變）上，質(zhì)地越優(yōu)良，零部件疲勞極限越高?？赏ㄟ^材料疲勞性能曲線進(jìn)行性能分析，合理選材。此外，平均應(yīng)力試驗(yàn)下所獲結(jié)果往往較實(shí)際結(jié)果偏大，所獲的零部件壽命因此較長，需要在實(shí)際工作中給予考量。

表面處理上，可通過噴丸工藝進(jìn)行冷加工，提高疲勞強(qiáng)度，降低零部件受載時表層的最大拉應(yīng)力，從而提高零部件的壽命。此外，傳統(tǒng)的淬火、滲碳以及新式的氮化工藝，能夠提升汽車零部件表面熱處理的效果，使零部件表層硬化，表層產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面，受零部件上的應(yīng)力梯度、拋光水平影響，其表面的工作性能存在差異，可能導(dǎo)致工作中出現(xiàn)應(yīng)力方面的無序變化，導(dǎo)致疲勞極限降低，可給予針對性加強(qiáng)，同時針對一些容易出現(xiàn)斷裂的危險部位，如控制臂的局部過渡等進(jìn)行優(yōu)化，提升零部件的疲勞性能。

六、結(jié)語

綜上，汽車零部件疲勞問題不可避免，通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，零部件疲勞的影響因素是相對固定的，包括平均應(yīng)力、應(yīng)力集中和應(yīng)變集中、尺寸和加工工藝三個方面。為求優(yōu)化零部件性能，在后續(xù)工作中，要求合理進(jìn)行選材，同時加強(qiáng)零部件表面處理，并在不影響其功能的情況下，對零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以綜合應(yīng)對上述問題，優(yōu)化零部件性能。

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作者簡介：劉松（1978.08—），男，漢族，湖北武漢人，本科，高級技師，研究方向：汽車變速箱、底盤零部件試驗(yàn)。