橫向穩(wěn)定桿支架失效分析與改進(jìn)

楊宇飛，袁 麗，吳雪峰，陳綺丹

橫向穩(wěn)定桿支架失效分析與改進(jìn)

楊宇飛，袁 麗，吳雪峰，陳綺丹

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

重型商用車(chē)通過(guò)增加橫向穩(wěn)定桿提升車(chē)輛抗側(cè)傾能力，而橫向穩(wěn)定桿與車(chē)身的可靠連接能夠保證車(chē)輛在復(fù)雜工況下仍能穩(wěn)定行駛。文章基于某型自卸車(chē)在重載急轉(zhuǎn)彎下坡的礦區(qū)工況下，穩(wěn)定桿支架螺栓頻繁出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。通過(guò)對(duì)橫向穩(wěn)定桿支架螺栓斷口進(jìn)行失效分析，確定螺栓失效原因?yàn)榉€(wěn)定桿支架與穩(wěn)定桿吊桿總成結(jié)合面處發(fā)生疲勞斷裂。其次，結(jié)合轉(zhuǎn)彎工況對(duì)車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，車(chē)輛發(fā)生側(cè)傾時(shí)，橫向穩(wěn)定桿主要通過(guò)扭轉(zhuǎn)或彎曲產(chǎn)生抗側(cè)傾力，進(jìn)一步分析出螺栓疲勞斷裂是由于剪切力和扭轉(zhuǎn)力綜合作用導(dǎo)致。最后，對(duì)穩(wěn)定桿支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，道路驗(yàn)證結(jié)果表明優(yōu)化后的新結(jié)構(gòu)疲勞壽命增加，可適用礦區(qū)等惡劣復(fù)雜工況。研究對(duì)重型商用車(chē)應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況，提升車(chē)輛穩(wěn)定性具有一定的指導(dǎo)意義。

橫向穩(wěn)定桿；穩(wěn)定桿支架；斷口；動(dòng)力學(xué)模型

重型商用車(chē)擁有較強(qiáng)的運(yùn)輸能力，廣泛分布在各礦區(qū)以及公路運(yùn)輸?shù)葟?fù)雜工況區(qū)域，為交通運(yùn)輸行業(yè)起著重要的作用。但每年車(chē)輛側(cè)翻等交通事故造成的人員傷亡的慘劇歷歷在目[1]。因此，運(yùn)輸行業(yè)對(duì)重型汽車(chē)的性能要求較高，需兼顧車(chē)輛安全性和舒適性。

為了改善車(chē)輛的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，重型商用車(chē)通過(guò)安裝橫向穩(wěn)定桿裝置來(lái)減小側(cè)傾角，其原理為將橫向穩(wěn)定桿作為一種由高強(qiáng)度彈簧鋼制成的扭桿彈簧，安裝于汽車(chē)前端或后端，通過(guò)向車(chē)身施加反側(cè)傾力矩實(shí)現(xiàn)抑制車(chē)身側(cè)傾的目的[2-3]。重型商用車(chē)在急轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)急轉(zhuǎn)彎以及無(wú)路基惡劣路面行駛工況下，穩(wěn)定桿通過(guò)扭轉(zhuǎn)和彎曲產(chǎn)生反側(cè)傾力矩。與此同時(shí)，由于穩(wěn)定桿裝置安裝方式的不同，穩(wěn)定桿會(huì)對(duì)車(chē)橋或車(chē)身施加交變的附加扭轉(zhuǎn)力，導(dǎo)致穩(wěn)定桿支架連接處容易發(fā)生斷裂等故障，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。因此，車(chē)輛對(duì)穩(wěn)定桿端與車(chē)橋或車(chē)身連接處的結(jié)構(gòu)可靠性要求較高。本文以某型重型自卸車(chē)橫向穩(wěn)定桿為研究對(duì)象，對(duì)穩(wěn)定桿支架總成進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 問(wèn)題描述

2020年至2021年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)某自卸車(chē)前橫向穩(wěn)定桿支架故障頻繁，經(jīng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，穩(wěn)定桿支架主要失效模式為穩(wěn)定桿支架螺栓斷裂和滑扣，占比達(dá)62.1%。圖1(a)為穩(wěn)定支架螺栓斷裂照片，圖1(b)為螺栓滑扣松動(dòng)后導(dǎo)致穩(wěn)定支架螺紋孔變形照片。故障區(qū)域主要集中在貴州、四川等地區(qū)。

貴州區(qū)域地貌可概括分為高原、山地、丘陵和盆地四種基本類型，其中92.5%的面積為山地和丘陵[4]。經(jīng)對(duì)貴州區(qū)域車(chē)輛運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，車(chē)輛運(yùn)輸貨物以渣土和各類礦石為主，車(chē)輛行駛工況惡劣。如圖2所示礦區(qū)典型工況，礦區(qū)內(nèi)車(chē)輛行駛工況為凹凸不平，無(wú)路基的多彎山路，實(shí)際坡度大于10度，重載長(zhǎng)下坡，制動(dòng)急轉(zhuǎn)彎。車(chē)輛在急轉(zhuǎn)彎制動(dòng)和凹凸路面情況下，車(chē)輛側(cè)傾頻繁，橫向穩(wěn)定桿裝置長(zhǎng)期處于彎曲和扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，縮短了穩(wěn)定桿支架的壽命，同時(shí)加大了車(chē)輛側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 礦區(qū)行駛工況

2 理化檢驗(yàn)分析

2.1 宏觀形貌

通過(guò)對(duì)穩(wěn)定桿支架螺栓斷裂外觀以及斷口進(jìn)行失效分析。圖3(a)為螺栓斷裂外觀，螺栓斷裂位置處于螺紋段，距光桿處約20螺紋齒處，對(duì)比穩(wěn)定桿支架的安裝尺寸發(fā)現(xiàn)，此正好位于穩(wěn)定桿支架與穩(wěn)定桿吊桿總成結(jié)合面附近。同時(shí)，斷裂螺栓未見(jiàn)有明顯的彎曲變形，斷裂處無(wú)頸縮現(xiàn)象，光桿與螺紋段結(jié)合部位有明顯的磨痕，磨痕處光滑，鍍鋅層被磨掉，但未出現(xiàn)明顯的凹槽形貌，說(shuō)明螺栓在車(chē)輛行駛過(guò)程中有松動(dòng)的現(xiàn)象，但在螺栓軸向承受較小的拉伸力。圖3(b)為螺栓斷口宏觀形貌，可以看出斷口包括裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。裂紋源區(qū)位于在a、c區(qū)域螺栓外側(cè)表面，兩側(cè)疲勞源大致對(duì)稱分布，且c區(qū)域外側(cè)裂紋源區(qū)表面凹凸不平，呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、擠壓和剪切的塑性撕裂特征。裂紋擴(kuò)展區(qū)占a、c區(qū)域80%，呈現(xiàn)細(xì)密平行的貝殼狀條紋，具有疲勞輝紋的特征。b區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)，該區(qū)域?yàn)辇R平且粗糙，箭頭所指條帶狀深色區(qū)域即為最后斷裂區(qū)域。縱觀斷口基本平齊，呈現(xiàn)典型的雙向疲勞斷口特征，裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋細(xì)密，瞬斷區(qū)占比較小，說(shuō)明在行駛過(guò)程中，螺栓承受大致與軸向垂直的交變應(yīng)力，導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。

圖3 螺栓失效外觀

2.2 硬度檢查

在斷裂螺栓斷裂處截面上進(jìn)行硬度檢查，硬度平均為325HV10。穩(wěn)定桿支架為材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理后基體硬度平均為30.2HRC，螺紋和穩(wěn)定桿支架均滿足技術(shù)要求。

2.3 金相組織以及化學(xué)成分分析

光學(xué)金相顯微鏡下放大500倍對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行金相組織分析，圖4為斷裂螺栓基體組織為中等粗細(xì)的回火索氏體+微量滲碳體，斷裂螺栓表面未見(jiàn)脫碳等缺陷。

圖4 斷裂螺栓基體組織

通過(guò)光譜儀對(duì)螺栓以及穩(wěn)定桿支架化學(xué)成分進(jìn)行分析，表1為斷裂螺栓的化學(xué)成分，結(jié)果滿足10.9級(jí)各元素含量要求。表2為穩(wěn)定桿支架的化學(xué)成分，實(shí)測(cè)值均滿足40Cr材料各元素含量要求。

表1 螺栓的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 穩(wěn)定桿支架的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

綜上分析，穩(wěn)定桿支架以及螺栓材料和性能均合格，由此可以得出穩(wěn)定桿支架螺栓斷裂與材料本身無(wú)關(guān)，而是由外部因素導(dǎo)致的疲勞斷裂。

3 車(chē)輛側(cè)傾動(dòng)力學(xué)分析

為了便于車(chē)輛側(cè)傾動(dòng)力學(xué)分析，需對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于簧下質(zhì)量較小，忽略簧下質(zhì)量，假設(shè)車(chē)輛質(zhì)量為簧載質(zhì)量，將簧載質(zhì)量繞車(chē)輛縱向軸線位置側(cè)傾，圖5為柔性懸架簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型后視圖。

模型在剛性懸架模型基礎(chǔ)上考慮實(shí)際懸架系統(tǒng)中彈性元件的影響，將懸架和輪胎視作柔性約束。假設(shè)車(chē)輛處于左轉(zhuǎn)彎，車(chē)輛受地面激勵(lì)產(chǎn)生側(cè)向力，側(cè)傾時(shí)承受的力矩包括：作用于車(chē)輛質(zhì)心處離心力產(chǎn)生的側(cè)傾力矩1、橫向載荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)車(chē)輪垂向載荷變化的懸掛力矩2以及重心偏離中心線產(chǎn)生的橫向位移力矩3。各力矩滿足以下條件[5]：

（1）側(cè)傾力矩1：車(chē)輛左轉(zhuǎn)彎時(shí)，簧載質(zhì)量受離心力的作用，引起車(chē)輛內(nèi)外側(cè)發(fā)生側(cè)傾趨勢(shì)。當(dāng)車(chē)輛輪胎離地時(shí)可認(rèn)為車(chē)輛達(dá)到側(cè)翻極限，此時(shí)車(chē)輛失穩(wěn)的力矩滿足式（1）：

式中，cen為車(chē)輛離心力；s為車(chē)輛質(zhì)心高度。其中，cen=ma；s為車(chē)身質(zhì)量，a側(cè)向加速度。

（2）懸掛力矩2：車(chē)輛側(cè)傾時(shí)，橫向載荷會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致車(chē)輛內(nèi)外側(cè)垂向載荷改變，懸掛力矩滿足式（2）：

2Δz（2）

式中，Δz為兩側(cè)車(chē)輪的垂直載荷差；為左右側(cè)車(chē)輪輪距。

（3）橫向位移力矩3：考慮車(chē)輛為柔性約束，側(cè)傾時(shí)，簧載質(zhì)量質(zhì)心會(huì)發(fā)生橫向位移，橫向位移力矩滿足式（3）：

3s≈ss（3）

在側(cè)翻極限范圍內(nèi)，側(cè)傾力矩、懸掛力矩以及橫向位移力矩共同作用下處于穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)，車(chē)輛保持正常行駛，車(chē)輛滿足式（4）：

sΔzss（4）

圖5 車(chē)輛簡(jiǎn)化模型

在實(shí)際急轉(zhuǎn)彎工況下，車(chē)輛未發(fā)生側(cè)翻，車(chē)輛正常行駛，側(cè)向加速度在一定極限值范圍內(nèi)時(shí)，上述三種力矩滿足式（4）。此時(shí)，懸架內(nèi)側(cè)被拉伸，外側(cè)被壓縮從而產(chǎn)生相應(yīng)的抗側(cè)傾力矩。隨著側(cè)向加速度繼續(xù)增大，當(dāng)側(cè)傾力矩超過(guò)車(chē)輛能提供的凈抗側(cè)傾力矩時(shí)，車(chē)輛就開(kāi)始側(cè)傾失穩(wěn)。側(cè)傾角剛度較大的懸架能夠增大抗側(cè)傾力矩，提高了車(chē)輛的穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^(guò)增加橫向穩(wěn)定桿來(lái)提高側(cè)傾角剛度來(lái)達(dá)到抗側(cè)傾能力。圖6(a)和圖6 (b)為前橫向穩(wěn)定桿固定方式，該車(chē)型前穩(wěn)定桿安裝方式采用末端固定式，即前穩(wěn)定桿中間連接車(chē)橋、末端通過(guò)吊桿和穩(wěn)定桿支架與連接車(chē)架縱梁，吊桿與垂直方向呈3°左右的夾角。

圖6 前穩(wěn)定桿固定方式

結(jié)合車(chē)輛行駛礦區(qū)工況調(diào)研情況，行駛路面凹凸不平，多彎，重載下坡，車(chē)輛處于大轉(zhuǎn)向和因路面激勵(lì)不同出現(xiàn)單邊橋行駛等復(fù)雜工況。側(cè)向加速度頻繁急速變化，兩側(cè)車(chē)輪垂直載荷不一致，懸掛力矩持續(xù)變化，表征為車(chē)身載荷轉(zhuǎn)移頻繁，懸架反復(fù)被拉伸或壓縮。此時(shí)，橫向穩(wěn)定桿主要通過(guò)扭轉(zhuǎn)或彎曲產(chǎn)生抗側(cè)傾力，穩(wěn)定桿裝置與車(chē)架視作剛性連接，且吊桿與垂向存在較小的角度，在穩(wěn)定桿支架與穩(wěn)定桿吊桿結(jié)合面附近，螺栓承受剪切力和扭轉(zhuǎn)力。根據(jù)Miner疲勞損傷累計(jì)理論[6]指出材料在各個(gè)應(yīng)力下的疲勞損傷是獨(dú)立進(jìn)行的，且總損傷是線性疊加，當(dāng)損傷疊加至某一邊界值時(shí)將會(huì)產(chǎn)生破壞。因此，螺栓疲勞萌生階段受循環(huán)交變的剪切力，螺栓表面產(chǎn)生裂紋。進(jìn)一步裂紋擴(kuò)展階段在橫向的扭轉(zhuǎn)力的作用下加速了螺栓的疲勞裂紋擴(kuò)展直至瞬斷。

4 改進(jìn)方案

根據(jù)上述分析，在不改變現(xiàn)有橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)以及特性的情況下，對(duì)穩(wěn)定桿支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，螺栓直徑由16 mm改為24 mm，穩(wěn)定桿支架材料選取42CrMo，力學(xué)性能符合GB/T 3077—2015要求，抗拉強(qiáng)度以及下屈服強(qiáng)度優(yōu)于40Cr。圖7(a)圖7 (b)分別為穩(wěn)定桿支架、吊桿優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)及安裝示意圖，從圖中可以看出，相比較優(yōu)化前，優(yōu)化后的穩(wěn)定桿支架c表面與吊桿總成圓周表面接觸，吊桿內(nèi)部襯套可以緩沖部分沖擊力，對(duì)結(jié)構(gòu)起一定保護(hù)作用，通過(guò)螺栓進(jìn)行緊固。在重載下坡的急轉(zhuǎn)彎路況下，穩(wěn)定桿通過(guò)扭轉(zhuǎn)和變形產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩，剪切力和扭轉(zhuǎn)力施加于穩(wěn)定桿支架c圓周表面，避免螺栓再次發(fā)生相同的疲勞斷裂現(xiàn)象。

圖7 結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

圖8 道路試驗(yàn)行駛里程

圖8為20輛整車(chē)礦區(qū)試驗(yàn)結(jié)果，在前文所述工況下，車(chē)速為20 km/h。20輛車(chē)均未出現(xiàn)故障，其中14#、18#和19#車(chē)輛由于行駛距離較短進(jìn)行剔除。較優(yōu)化前結(jié)構(gòu)實(shí)車(chē)平均行駛7 000 km左右即出現(xiàn)斷裂失效故障，而優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)平均行駛14 530 km后仍然未出現(xiàn)螺栓開(kāi)裂以及穩(wěn)定桿支架變形的情況。因此，優(yōu)化后首次平均故障里程遠(yuǎn)大于優(yōu)化前，穩(wěn)定桿支架總成壽命增加。

5 結(jié)論

貴州、四川等區(qū)域，重型商用車(chē)行駛工況多為無(wú)鋪裝路面，重載急轉(zhuǎn)彎下坡車(chē)輛側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)增大。在車(chē)輛安裝穩(wěn)定桿能夠增強(qiáng)車(chē)身的抗側(cè)傾能力，保證車(chē)輛在顛簸路面或制動(dòng)急轉(zhuǎn)彎下車(chē)輛的穩(wěn)定性，減少安全事故的發(fā)生。車(chē)輛前穩(wěn)定桿支架中間與車(chē)前連接，末端通過(guò)穩(wěn)定桿吊桿總成以及穩(wěn)定桿支架固定在車(chē)架上。通過(guò)綜合分析，在特殊工況下，穩(wěn)定桿吊桿總成與穩(wěn)定桿支架安裝結(jié)合面處為螺栓斷裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。因此，通過(guò)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化穩(wěn)定桿支架結(jié)構(gòu)，改變穩(wěn)定桿固定方式。道路試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同行駛工況下，車(chē)輛穩(wěn)定桿支架螺栓未見(jiàn)失效，首次故障平均里程遠(yuǎn)大于優(yōu)化前。可見(jiàn)本文改進(jìn)方案能夠有效地減少穩(wěn)定桿支架螺栓的故障，更好地適應(yīng)市場(chǎng)急轉(zhuǎn)彎、顛簸等惡劣行駛工況，保證車(chē)輛的安全運(yùn)行。

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Failure Analysis and Improvement of Anti-roll Bar Bracket

YANG Yufei, YUAN Li, WU Xuefeng, CHEN Qidan

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710200, China )

Heavy commercial vehicles increase the vehicle's anti-roll ability by adding lateral anti-roll bar, and the reliable connection of the lateral anti-roll bar to the body can ensure that the vehicle can still drive stably under complex conditions.The article is based on the frequent fracture of the anti-roll bar bracket bolts of a certain type of dump truck under the driving conditions of the mine area with heavy load sharp turns and downhills.Through the failure analysis of the bolt fracture of the lateral anti-roll bar bracket, it was determined that the cause of the bolt failure was fatigue fracture at the junction surface between the anti-roll bar bracket and the anti-roll bar suspender assembly. Secondly, combined with the dynamic analysis of the vehicle in combination with the turning conditions, when the vehicle rolls, the lateral anti-roll mainly produces anti-roll force through torsion or bending, and further analysis shows that the fatigue fracture of the bolt is caused by the combined effect of shear force and torsional force. Finally, the anti-roll bar bracket structure is optimized, and the road verification results show that the fatigue life of the new structure is increased, which can be applied to harsh and complex driving conditions such as mining areas. The research has certain guiding significance for heavy commercial vehicles to cope with complex driving conditions and improve vehicle stability.

Anti-roll bar;Anti-roll bar bracket;Fracture;Dynamic model

U462.3；U463

A

1671-7988(2023)03-107-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.020

楊宇飛（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)槠?chē)質(zhì)量技術(shù)，E-mail:10205670@sxqc.com。