汽車變速箱懸置斷裂原因分析

薛喜才

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201800）

0 引言

近年來，隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對舒適性和安全性要求逐漸提高。懸置系統(tǒng)是連接發(fā)動機、變速箱與車身、底盤的關鍵性零部件，其在汽車行駛的平順性和減振降噪上起到關鍵性作用[1-5]。因此，懸置一旦發(fā)生失效，輕則會引起發(fā)動機振動增加、異響，重則可能導致發(fā)動機、變速箱功能零件的損壞，危及車輛的安全[6]。

朱強等[7]對懸置系統(tǒng)的失效進行了統(tǒng)計，主要的失效類別包括懸置橡膠軟墊破損、懸置支架損壞以及懸置梁的扭曲或斷裂等；付長明等[8]對汽車發(fā)動機懸置支臂斷裂失效進行了分析，認為鑄件內存在較為嚴重的疏松缺陷，降低了材料的疲勞性能，引起早期疲勞失效；俞雁等[9]對某汽車發(fā)動機懸置支架斷裂失效進行了分析，認為支架化學成分不合格和鑄造缺陷是支架斷裂的主要原因，類似的懸置失效還有很多。

因此，懸置在設計、生產(chǎn)制造過程中，應該保證足夠的安全系數(shù)并確保零件的質量。本研究采用理化檢驗，找到了此次懸置斷裂的原因，并對故障現(xiàn)象進行了試驗模擬再現(xiàn)。

1 試驗過程與結果

1.1 外觀檢查

汽車變速箱懸置在進行Z 向沖擊試驗過程中支臂發(fā)生斷裂，材料為AlSi9Cu3(Fe)，斷裂件如圖1所示。鋁合金支臂斷裂面保存完好，其他區(qū)域、外殼表面無磕碰痕跡，橡膠襯套無破損，螺栓安裝面無松動的痕跡，可知螺栓無松動。

圖 1 斷裂的變速箱懸置Fig.1 Fractured transmission suspension

根據(jù)以往懸置Z+或Z?方向靜載破斷試驗可知，懸置支臂都斷裂在螺栓孔或加強筋區(qū)域，從未在此位置斷裂，推測該區(qū)域很可能存在損傷，進而成為零件的薄弱點。

1.2 斷口觀察

圖 2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface

在體視顯微鏡下觀察，斷口宏觀形貌如圖2所示。斷面較為平坦，斷裂紋路呈纖維狀，無疲勞特征。斷面上“人字紋”特征較明顯，其中“人字紋”是很多過載斷裂零件的主要特征[10]，根據(jù)紋路匯聚的方向，可以很明顯地確定裂紋源位于零件的表面區(qū)域（圖2a）。由表及里最大深度約3 mm，長度約12 mm 范圍內裂紋擴展的紋路（圖2b 中虛線）與人字紋匯聚的紋路并不連貫，表明支臂不是一次性沖擊斷裂。

將斷口放在掃描電鏡下進行觀察，其微觀形貌如圖3 所示。裂紋源區(qū)域斷裂形貌較少，大部分區(qū)域晶界圓滑，呈凸凹不平的卵石狀，這些形貌不是常溫下斷裂特征而是高溫下自然結晶的形貌，推測裂紋源區(qū)在壓鑄過程中很可能已經(jīng)受損。

圖 3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture surface

斷口其他區(qū)域呈現(xiàn)準解理+韌窩形貌，未發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征，此屬于過載斷裂斷口。

1.3 金相檢測

沿著支臂裂紋源區(qū)域制取金相試樣，經(jīng)過鑲嵌、打磨、拋光并經(jīng)過酒精溶液清洗、吹干后，在光學顯微鏡下觀察，其金相組織如圖4 所示?？梢姡鸭y源區(qū)組織為α-Al+變質硅相，組織無異常，且無嚴重的鑄造缺陷。

裂紋源附近存在多條裂紋，裂紋長度約0.5～1.5 mm，裂紋走向彎曲且不連貫。多條裂紋從鑄件表面、內部萌生，且裂紋尖端比較鈍，這些裂紋很可能是高溫下產(chǎn)生的。

1.4 化學成分分析及硬度測試

對懸置內芯化學成分進行檢測，結果見表1，可知化學成分滿足技術要求值。

圖 4 金相組織Fig.4 Microstructure

表 1 零件化學成分(質量分數(shù) /%)Table 1 Chemical composition of the part (mass fraction /%)

斷裂懸置硬度測試結果為HB 90，滿足技術要求(≥HB 80)。

2 分析與討論

2.1 斷裂原因分析

根據(jù)理化檢測結果可知，支臂的化學成分、硬度及金相組織正常，可以排除材質方面的影響因素。

通過斷口分析結果可知：宏觀上裂紋源與斷口其他區(qū)域紋路走向不連續(xù)，可知支臂不是一次性沖擊斷裂；微觀上裂紋源區(qū)斷裂特征比較少，大部分區(qū)域呈現(xiàn)高溫下自然結晶的形貌[11]，說明裂紋源區(qū)域在高溫下已經(jīng)受損。金相檢測結果顯示，裂紋源區(qū)附近區(qū)域存在多條次裂紋，這些裂紋彎曲、不連貫，且裂紋尖端比較鈍[12]，裂紋分布無規(guī)律：有些在鑄件表面或近表面，有些在鑄件內部。因此，根據(jù)斷口及金相分析推測，支臂很可能在壓鑄過程就已經(jīng)開裂，且該裂紋是在高溫下產(chǎn)生的。

根據(jù)鑄件冷卻模流圖（圖5）可知，最先開裂區(qū)域為鑄件最后凝固區(qū)域之一。通過對庫存件進行大量檢驗，均未再次發(fā)現(xiàn)裂紋，基本可以排除鋁合金鑄件凝固階段由于熱應力和收縮應力產(chǎn)生的裂紋。

2.2 模擬再現(xiàn)試驗

為了再現(xiàn)鑄件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂紋的具體工序，提出以下試驗方案（表2、圖6）：1）冷模具進行壓鑄、脫模；2）開裂部位或全模具不通冷卻水，讓模具處于高溫狀態(tài)進行壓鑄，零件不充分散熱；3）模具內腔不噴涂或減少噴涂脫模劑，讓模具與零件發(fā)生粘連、再脫模；4）減少壓力鑄造中給鋁液施加的壓力；5）以上幾種試驗方案復合，如冷模件+無冷卻或冷模件+無冷卻+無脫模劑；6）減少鑄件的保壓試驗。通過以上試驗方案，觀察再現(xiàn)零件的開裂情況。

圖 5 鑄件冷卻模流圖Fig.5 Model flow diagram of solidification and cooling of casting

表 2 不同壓鑄工藝下模擬試驗結果Table 2 Simulated test results under different die casting processes

圖 6 模擬再現(xiàn)零件Fig.6 Parts for simulated reproduction

通過觀察結果發(fā)現(xiàn)，只有減少鑄件保壓時間的8#模擬試樣出現(xiàn)類似的開裂情況，且裂紋出現(xiàn)的位置與開裂件相似，均在鑄件的最后凝固區(qū)域。因此，通過該試驗可以確定，保壓時間不足，鋁液尚未完全凝固、脫模引起零件開裂，是導致零件失效的根本原因。

3 結論與建議

1）支臂在壓鑄過程中產(chǎn)生初始裂紋，在沖擊性試驗載荷作用下發(fā)生多次過載性斷裂。

2）通過再現(xiàn)試驗可知，鑄件由于保壓時間不足，導致鋁液尚未完全凝固就脫模，在最后凝固區(qū)域產(chǎn)生初始裂紋。