電動自行車減震前叉斷裂失效分析

朱應(yīng)陳 曾偉傳 丁岑

摘要： 此文通過宏觀、微觀和受力分析，查出了電動自行車前叉的減震柄管斷裂的主要原因是焊接部位存在咬邊缺陷，在交變應(yīng)力的作用下形成疲勞裂紋，而柄管中割裂基體的B類（氧化物類）非金屬夾雜物加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)程。為防止類似的失效事故發(fā)生，此文提供了若干指導(dǎo)性建議。

關(guān)鍵詞：減震前叉;焊接斷裂;非金屬夾雜;失效分析

為滿足騎行舒適性需要，目前電動自行車的前叉已普遍采用減震結(jié)構(gòu)。電動自行車減震前叉主要由立管、前叉肩、減震組件、前叉腿、閘支架等部分連接而成[1]，作為車身的重要承力件，其裝配質(zhì)量關(guān)系到騎行安全。某電動自行車企業(yè)的減震前叉（規(guī)格：28.6 × 265-Q195）在行駛過程中發(fā)生減震柄管斷裂（見圖1）。為找到開裂原因，我們從宏觀、微觀以及結(jié)構(gòu)受力等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)與分析。

1? ? 理化檢驗(yàn)

1.1? ? 斷口分析

在騎行過程中，電動自行車的減震前叉發(fā)生斷裂。對斷裂部位取樣發(fā)現(xiàn)，減震柄管外層由不銹鋼裝飾管包覆，內(nèi)部碳鋼管插入前叉肩并焊接固定（見圖2）。斷裂位于減震柄管與前叉肩焊接處，斷裂樣品未見有明顯的塑性變形。

斷口經(jīng)超聲波清洗后，由斷口上磨損程度及裂紋擴(kuò)展人字紋的走向判斷裂源處位于焊接咬邊缺陷處，裂源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)均有明顯疲勞臺階，終斷區(qū)占斷口面積的較小部分（見圖3）。

斷口在掃描電鏡下觀察可見，裂源區(qū)SEM形貌為疲勞輝紋+韌窩形貌（見圖4），擴(kuò)展區(qū)SEM形貌為疲勞輝紋+少量韌窩形貌（見圖5），終斷區(qū)SEM形貌為剪切韌窩形貌（見圖6）。

由上述斷口宏觀及微觀形貌分析可判斷，該前叉減震柄管為應(yīng)力集中型低周扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。[2]

1.2? ? 焊縫金相

于裂源處截取金相試樣，拋光制樣后在材料顯微鏡下觀察，可見斷裂柄管基體中B類（氧化物類）非金屬夾雜物非常嚴(yán)重，且二次裂紋沿夾雜物擴(kuò)展（見圖7、圖8）。試樣腐蝕后，顯示出斷裂位置為焊縫的焊趾部位（見圖9）。

焊縫基體呈粗大柱狀晶形貌，單個(gè)晶?？韶灤┱麄€(gè)視場，晶內(nèi)分布有貝氏體及少量魏氏組織+沿晶先共析鐵素體及魏氏體組織（見圖10、圖11），由此可見焊接溫度較高且冷卻速度快。[3]母材基體組織為鐵素體，基體中B類（氧化物類）非金屬夾雜物嚴(yán)重，明顯割裂基體的連續(xù)性，使減震柄管的橫向機(jī)械性能降低（見圖12）。[4]

由圖13所示，裂源處焊接咬邊缺陷嚴(yán)重，此處的有效壁厚僅為0.55 mm，較母材壁厚的1.38 mm減少了約60%的厚度，且咬邊凹陷處應(yīng)力最為集中，成為了疲勞源的絕佳萌生區(qū)域。

1.3? ? 焊縫硬度

對開裂處焊縫進(jìn)行維氏硬度檢測（見表1），從焊縫各區(qū)域硬度比較可知焊縫硬化明顯，這說明焊接過程中溫度較高、冷卻速度較快。

2? ? 前叉受力分析

前叉腿叉口部受到垂直向上的反作用力P，該力相對于前叉肩與減震柄管連接處形成向上的彎矩。前叉受力示意圖見圖14。

根據(jù)公式（1）計(jì)算斷裂處的彎矩M：

式中：P ——前叉腿叉口受到垂直地面的反作用力;

L ——前叉腿總長;

θ——前管傾斜角。

減震柄管斷口處為空心圓截面，其抗彎截面模量W的計(jì)算見公式（2）：

式中：I——截面對中性軸的慣性矩;

ymax ——最大拉應(yīng)力到中性軸的距離;

D ——減震柄管外徑;

d ——減震柄管內(nèi)徑。

最后，根據(jù)公式（3）可推導(dǎo)出斷口外徑處的最大彎曲正應(yīng)力σmax：

通過公式（3）可以看出，隨著減震柄管外徑的減小、壁厚減薄（即D趨近于d）或前管傾斜角減小，斷口處的彎曲正應(yīng)力值增大。

正常騎行時(shí)，車和人員總質(zhì)量約為130 kg，按前輪受到垂直地面的反作用力650 N估算，則單側(cè)叉口受力P估算為該值的一半，即325 N。在未考慮焊接缺陷的情況下，將已知前叉參數(shù)（L =285 mm，θ =65°，D =25.48 mm，d =22.72 mm）代入公式（3），可得σmax≈0.20 P，即彎曲正應(yīng)力約66 MPa。若在考慮圖13中咬邊缺陷，估算有效外徑減至23.82 mm的情況下，σmax≈0.53 P，即彎曲正應(yīng)力達(dá)到170 MPa。對比Q195材料的屈服強(qiáng)度下限可以看出，該前叉存在咬邊缺陷后，焊縫處最大正應(yīng)力值已接近材料屈服點(diǎn)。尤其在路面坑洼、地面反作用力不斷突變的情況下，咬邊應(yīng)力集中處個(gè)別薄弱晶粒容易進(jìn)入塑性應(yīng)變狀態(tài)，在循環(huán)載荷作用下該部分晶粒出現(xiàn)應(yīng)變硬化，形成微觀裂紋[5]，割裂基體的非金屬夾雜物助長了微觀裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，直至最終疲勞斷裂。

3? ? 結(jié)論及建議

綜合上述，由于車輛在行駛過程中的應(yīng)力集中于柄管焊接部位的咬邊缺陷處，該處缺口明顯且實(shí)際有效承載面積較小，在交變應(yīng)力的作用下形成疲勞裂紋，而柄管中割裂基體的B類（氧化物類）非金屬夾雜物加速了疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)程。

結(jié)合受力分析，相關(guān)人員對前叉結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證：

1）前叉肩焊接處（包括立管下端與前叉肩結(jié)合處、減震柄管與前叉肩焊接處）管內(nèi)局部增加襯管或采用不等壁管，可提高受力部位的強(qiáng)度。

2）加強(qiáng)焊接工藝的控制。要嚴(yán)格控制管材與前叉肩的配合間隙以及焊接時(shí)的電流、溫度與時(shí)間，使兩結(jié)合體的間隙處充滿焊料，焊縫與母材過渡完整無咬邊。

3）驗(yàn)證前叉疲勞試驗(yàn)。在車輪平面內(nèi)，對夾裝在位于前叉接片槽中的轉(zhuǎn)軸加載裝置，施加一垂直于前叉立管的全交變動態(tài)力±600 N，經(jīng)5萬次疲勞試驗(yàn)，最大試驗(yàn)頻率25 Hz，各部位應(yīng)無斷裂或肉眼能見的裂紋。[1]

參考文獻(xiàn)

[1]全國自行車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.自行車 前叉：QB/T?1881—2008[S].北京：中國輕工業(yè)出版社，2008：2—8.

[2]劉正義，吳連生，許麟康，張靜江.機(jī)械裝備失效分析圖譜[M].廣州：廣東科技出版社，1990.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接金相圖譜[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[4] 孫智，任耀劍，隋艷偉.失效分析：基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[5]郭應(yīng)征，李兆霞.應(yīng)用力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2000：340.