牽引環(huán)疲勞斷裂問題分析

詹立力，張鵬，柳亮

摘? 要：牽引環(huán)在疲勞耐久工況下受到循環(huán)載荷作用，螺紋根部在試驗(yàn)過程中發(fā)生疲勞斷裂。本文主要探討引起牽引環(huán)螺紋根部疲勞斷裂的原因，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)且進(jìn)行驗(yàn)證。分析結(jié)果表明，截面突變且無圓角過渡引起應(yīng)力集中，繼而引發(fā)疲勞損傷，發(fā)生脆性斷裂。降低截面突變程度、增加圓角過渡可有效改善螺紋根部應(yīng)力集中，解決牽引環(huán)疲勞斷裂的問題。

關(guān)鍵詞：牽引環(huán);疲勞斷裂;截面突變

中圖分類號：U466? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1005-2550（2021）04-0054-04

Fatigue Fracture Analysis of Traction Ring

ZHAN Li-li1， ZHANG Peng2， LIU Liang1

（1. Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wu Han 430058， China;

2. Dongfeng Honda Automobile CO.，LTD，Wu Han 430056， China）

Abstract： The traction ring is subjected to cyclic load under fatigue endurance condition， and the root of the screw thread has fatigue fracture in the test process.This paper mainly discusses the cause of fatigue fracture of traction ring thread root， and carries out optimization design and verification.The analysis results show that the cross-section mutation and the absence of fillet transition cause stress concentration， which leads to fatigue damage and brittle fracture.Reducing the cross-section mutation， increasing the fillet transition can effectively improve the stress concentration at the root of the screw thread and solve the fatigue fracture problem of traction ring.

引? ? 言

乘用車牽引環(huán)是固定或安裝在汽車上，通過使用如拖繩、拖纜或拖桿等裝置進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)車輛牽引或被牽引的部件。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《輕型汽車牽引裝置》要求，汽車應(yīng)在其前部至少固定或可安裝一個(gè)牽引裝置：在車輛自身發(fā)生故障時(shí)，能被其它車輛通過故障車的前部牽引裝置牽引至最近維修點(diǎn)，且使用過程中牽引裝置及其固定件不應(yīng)失效、斷裂或產(chǎn)生影響正常使用的變形。由此設(shè)計(jì)多種試驗(yàn)?zāi)M牽引環(huán)使用工況，其中包括靜態(tài)牽引的強(qiáng)度性能試驗(yàn)和動態(tài)牽引的疲勞耐久性能試驗(yàn)，疲勞耐久工況相對更為惡劣。

1? ? 牽引環(huán)斷裂問題描述

在模擬動態(tài)牽引的疲勞耐久性能試驗(yàn)進(jìn)行至56.5萬次循環(huán)時(shí)，牽引環(huán)螺紋根部斷裂，失效后牽引環(huán)如圖1：

疲勞耐久性能試驗(yàn)在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行，如圖2，對拉環(huán)以牽引桿為軸心的90°圓錐范圍內(nèi)施加載荷（載荷大?。?.08g*整車整備質(zhì)量）并震動循環(huán)，要求循環(huán)80萬次后牽引環(huán)不發(fā)生明顯變形、螺紋不發(fā)生損壞且方便拆卸。

為解決模仿動態(tài)牽引的疲勞耐久工況下牽引環(huán)斷裂問題，進(jìn)行以下分析。

2? ? 牽引環(huán)斷裂原因分析

分析牽引環(huán)斷裂原因，先確認(rèn)材料是否滿足定義要求，再確定制造因素及裝配因素的影響，最后深入分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

2.1? ?材料分析

牽引環(huán)材料定義為45#鋼，無熱處理。

2.1.1 化學(xué)成分分析

對失效牽引環(huán)取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析：其金相組織為珠光體+鐵素體，為正常狀態(tài);化學(xué)成分如表1，符合GB/T 699-2015中關(guān)于45#鋼的技術(shù)條件要求。

2.1.2 機(jī)械性能分析

取失效牽引環(huán)進(jìn)行機(jī)械性能分析，其抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率及硬度均符合GB/T699-2015中關(guān)于45#鋼的技術(shù)條件要求，如表2。

2.1.3 斷口形貌分析

失效牽引環(huán)斷口宏觀形貌如圖3，斷口平齊發(fā)亮;斷口微觀形貌如圖4，斷口為解理特征。以上斷口特征為典型的脆性斷裂特征。

根據(jù)斷口形貌特征，初步判斷牽引環(huán)斷裂為疲勞斷裂。

一般情況下，疲勞斷裂處存在應(yīng)力集中，而影響應(yīng)力集中的原因主要分為以下幾類：材料缺陷、加工缺陷（熱處理缺陷、表面加工缺陷）、裝配不合理以及截面突變且突變處無圓角過渡等。

根據(jù)以上材料分析結(jié)果，可排除材料缺陷造成疲勞斷裂的可能性。

2.2? ?制造工藝分析

取與失效牽引環(huán)同批次零件進(jìn)行檢測，牽引環(huán)表面光滑無明顯加工缺陷，可排除表面粗糙缺陷的可能性。牽引環(huán)螺紋根部斷裂處與設(shè)計(jì)狀態(tài)不一致（圖5）：實(shí)物狀態(tài)螺紋根部直徑與螺紋小徑一致，設(shè)計(jì)狀態(tài)螺紋根部直徑與螺紋大徑一致。此差異為實(shí)際生產(chǎn)過程采用滾壓工藝加工螺紋產(chǎn)生的退刀槽。

2.3? ?裝配狀態(tài)確認(rèn)

疲勞耐久試驗(yàn)為臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)前將牽引環(huán)安裝在固定于臺架的前防撞梁上，將牽引環(huán)螺紋全部旋入前防撞梁上的安裝孔內(nèi)，且不與任何其他部件發(fā)生干涉。經(jīng)試驗(yàn)前狀態(tài)點(diǎn)檢，牽引環(huán)裝配狀態(tài)到位。

2.4? ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

牽引環(huán)分為三個(gè)部分：拉環(huán)、牽引桿、螺紋端（圖6）。牽引桿與螺紋端為一個(gè)整體，由45#圓鋼機(jī)加工而成，拉環(huán)由45#圓鋼經(jīng)折彎后通過二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊與牽引桿連接。

設(shè)計(jì)狀態(tài)下，螺紋端與牽引桿為直角過渡，拉環(huán)與牽引桿也為直角過渡，以上兩處截面突變且無圓角過渡，容易引起應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)不合理。而螺紋端與牽引桿過渡處存在因制造工藝產(chǎn)生的退刀槽，惡化了截面突變程度。

綜合以上分析，初步判定：制造加工產(chǎn)生的退刀槽處截面突變且無圓角過渡，該處結(jié)構(gòu)引起應(yīng)力集中造成牽引環(huán)螺紋根部疲勞斷裂。

3? ? 牽引環(huán)斷裂優(yōu)化設(shè)計(jì)

解決牽引環(huán)疲勞斷裂問題從改善螺紋根部應(yīng)力集中著手。

消除因制造工藝產(chǎn)生的加劇截面突變程度的退刀槽：更改螺紋加工工藝，由滾壓螺紋改為車削螺紋。

車削螺紋時(shí)，刀刃提前退出，螺紋根部直徑可保持為與螺紋大徑一致（如圖7）：

減小螺紋端與牽引桿的直徑差值：牽引環(huán)與前防撞梁配合，要求牽引環(huán)螺紋端全部旋入前防撞梁，牽引環(huán)螺紋根部直徑最大值應(yīng)不大于螺紋外徑，而設(shè)計(jì)定義螺紋根部直徑與螺紋外徑一致、已無改進(jìn)空間，此方向不可行。

增加圓角過渡：考慮螺紋端與前防撞梁螺紋孔的間隙要求，在螺紋與牽引桿過渡處設(shè)計(jì)R1.5的圓角過渡（圖8）：

4? ? 牽引環(huán)斷裂優(yōu)化方案驗(yàn)證

4.1? ?仿真驗(yàn)證

對失效牽引環(huán)及優(yōu)化方案進(jìn)行疲勞耐久仿真分析。采用應(yīng)變-壽命法（E-N）進(jìn)行疲勞計(jì)算，前處理軟件采用HyperMesh，有限元計(jì)算求解器采用Nastran、壽命計(jì)算采用Femfat求解器，疲勞壽命計(jì)算采用Femfat，后期處理采用HyperView及FEMFAT Visualizer，載荷通過RBE2單元施加到拉環(huán)上，循環(huán)載荷波形為正弦波，仿真工況同試驗(yàn)工況。仿真分析結(jié)果顯示牽引環(huán)疲勞壽命薄弱點(diǎn)為牽引環(huán)螺紋根部。牽引環(huán)疲勞仿真分析結(jié)果如表3。

根據(jù)以上仿真結(jié)果得出結(jié)論：消除退刀槽并增加倒圓角可將牽引環(huán)疲勞壽命提高至81.1萬次，滿足80萬次的目標(biāo)要求。

4.2? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

疲勞耐久試驗(yàn)的目標(biāo)為80萬次。在圖9所示的疲勞耐久試驗(yàn)臺架上對優(yōu)化后的牽引環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表5。

試驗(yàn)載荷震動循環(huán)100萬次后停止試驗(yàn)，優(yōu)化后的牽引環(huán)未發(fā)生明顯變形、螺紋沒有發(fā)生損壞且方便拆卸。

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有差異，但驗(yàn)證了優(yōu)化方案可提高疲勞耐久壽命。

5? ? 結(jié)論

疲勞斷裂一般由應(yīng)力集中引起，材料缺陷、加工缺陷、裝配不當(dāng)、截面突變且無圓角過渡等都會引起應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免截面突變結(jié)構(gòu)，在不可避免的截面突變處設(shè)計(jì)圓角緩解突變程度。在疲勞耐久工況下，牽引環(huán)受應(yīng)力最大處為與防撞梁螺接配合的螺紋根部。設(shè)計(jì)牽引環(huán)時(shí)，在螺紋與牽引桿過渡處須設(shè)計(jì)圓角過渡，且在滿足裝配空間要求的情況下盡量加大圓角。而牽引環(huán)螺紋端的加工方式不同會造成螺紋根部直徑差異，須在圖紙上明確標(biāo)注螺紋根部的直徑大小，以指導(dǎo)螺紋加工工藝。

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詹立力

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，主要負(fù)責(zé)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。