汽車穩(wěn)定桿連接桿球頭銷斷裂原因

袁成逸,李 迪,楊毅濤,徐文雷

[吉利汽車研究院(寧波)有限公司,寧波 315336]

汽車通過穩(wěn)定桿來調(diào)整側(cè)傾角的剛度,以改善汽車的行駛穩(wěn)定性,因此穩(wěn)定桿連接桿與連接件之間球頭銷的性能直接影響車輛駕乘的操縱穩(wěn)定性以及乘坐舒適性[1-3]。在對某型號汽車進行結(jié)構(gòu)強度耐久路試時,其穩(wěn)定桿連接桿球頭銷發(fā)生斷裂現(xiàn)象。球頭銷選用的材料為42Cr Mo鋼,該鋼是一種優(yōu)質(zhì)合金高強鋼,經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,該鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天及工程機械等領(lǐng)域[4-8]。球頭銷的主要生產(chǎn)工藝為:下料→冷鐓→淬火→高溫回火→滾絲→粗車→精車→滾光→清洗→入庫。筆者采用一系列理化檢驗和有限元方法分析該球頭銷斷裂的原因,以避免該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

穩(wěn)定桿連接桿球頭銷宏觀形貌如圖1所示,箭頭所指為斷裂位置。由圖1可知:球頭銷沿頸部應(yīng)力集中處斷裂,斷口附近未發(fā)生明顯宏觀塑性變形。

球頭銷斷口宏觀形貌如圖2所示。根據(jù)斷裂紋理特征,可將斷口分為4個區(qū)域:上下兩側(cè)為裂紋源區(qū)Ⅰ和Ⅱ;沿上下兩側(cè)向中心延伸的為裂紋擴展區(qū)Ⅰ和Ⅱ,這兩個區(qū)域的斷裂紋理較細,顏色呈白亮色;中間區(qū)域為最終斷裂區(qū),該區(qū)域斷裂紋理較粗糙,顏色呈暗黑色。

圖2 斷裂球頭銷斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對斷裂球頭銷材料進行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,其結(jié)果滿足GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

表1 斷裂球頭銷的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)和能譜分析

將斷裂球頭銷的斷口放置在場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:斷口上下兩側(cè)裂紋源區(qū)Ⅰ和Ⅱ可見疲勞臺階;裂紋擴展區(qū)Ⅰ和Ⅱ可見明顯的二次裂紋,呈疲勞斷裂特征;最終斷裂區(qū)可見韌窩形貌,呈瞬時拉開的斷裂特征。

圖3 斷裂球頭銷斷口SEM 形貌

1.4 金相檢驗

沿球頭銷斷口附近截取試樣,將試樣磨制拋光,并用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,用光學(xué)顯微鏡觀察試樣,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:表層與心部顯微組織均為珠光體和鐵素體,非回火索氏體組織,表明該球頭銷沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理。

圖4 斷裂球頭銷的顯微組織形貌

1.5 硬度測試

采用維氏硬度計對斷裂球頭銷進行硬度測試,試驗載荷為98 N,保持時間為15 s,結(jié)果為241,243,239 HV,不滿足技術(shù)要求(321～371 HV)。

2 有限元分析

2.1 強度有限元分析

穩(wěn)定桿連接桿球頭銷的中間倒角位置處發(fā)生斷裂,對該位置進行分析。采用Hyper Works軟件對球頭銷倒角斷裂位置附近進行高階六面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小為0.3 mm;其余部分采用高階四面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小為1 mm,劃分后的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示。設(shè)置球頭銷的材料為42Cr Mo鋼,彈性模量為212 GPa,泊松比為0.28。

圖5 球頭銷的有限元網(wǎng)格模型

對于穩(wěn)定桿連接桿結(jié)構(gòu),桿部兩端連接球頭銷,球頭銷下部與其他部件連接。對于球頭銷來說,穩(wěn)定桿桿部相當于二力桿結(jié)構(gòu),球頭銷上部受到穩(wěn)定桿軸向力的作用,下部與其他部件連接處約束,球頭銷的力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 球頭銷的力學(xué)模型

根據(jù)上述力學(xué)模型,對球頭銷進行加載及約束。由于需要進行疲勞分析,因此沿軸向?qū)η蝾^銷施加1 N的載荷(見圖7),求得該狀態(tài)下的應(yīng)力。

約束位置存在應(yīng)力奇異的現(xiàn)象,且重點關(guān)注球頭銷上半部發(fā)生斷裂的位置,計算出上半部球頭銷單位載荷下的應(yīng)力云圖(見圖8)。

圖8 球頭銷單位載荷下的應(yīng)力云圖

2.2 疲勞有限元分析

采用nCode Design Life軟件對穩(wěn)定桿連接桿球頭銷的疲勞損傷進行分析。疲勞損傷計算載荷譜(見圖9)主要有5種工況,5種工況均為正負兩個方向的交變載荷,且每種工況對應(yīng)一定的循環(huán)次數(shù)(見表2),結(jié)合單位載荷下的應(yīng)力結(jié)果以及球頭銷材料的應(yīng)力-壽命曲線,對疲勞損傷進行迭代累積計算。

表2 載荷譜循環(huán)次數(shù)

斷裂球頭銷的硬度為241 HV,正常球頭銷的硬度為337 HV。按照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》進行換算,斷裂球頭銷所用材料的強度約為790 MPa,正常球頭銷所用材料的強度約為1 080 MPa,通過強度擬合的應(yīng)力-壽命曲線如圖10所示。

圖10 應(yīng)力-壽命曲線

采用Goodman平均應(yīng)力修正法進行疲勞損傷計算,用臨界平面法進行應(yīng)力組合,存活率設(shè)置為50%,計算得到的壽命分布云圖如圖11所示。

圖11 斷裂球頭銷和正常球頭銷的壽命分布云圖

穩(wěn)定桿連接桿球頭銷的設(shè)計壽命需大于1,根據(jù)上述球頭銷的壽命分布云圖,對其進行設(shè)計壽命校核,結(jié)果如表3所示。

表3 球頭銷的壽命校核結(jié)果 %

3 綜合分析

理化檢驗結(jié)果表明,斷裂球頭銷的化學(xué)成分滿足技術(shù)要求。斷裂球頭銷的顯微組織為珠光體與鐵素體,而球頭銷經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后應(yīng)為回火索氏體,故其顯微組織不滿足要求。該球頭銷硬度比正常球頭銷的硬度低,球頭銷的斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂。

對正常球頭銷進行疲勞設(shè)計壽命校核,其最短壽命高于評價標準要求,表明球頭銷的設(shè)計強度滿足要求;對斷裂球頭銷進行疲勞設(shè)計壽命校核,最短壽命低于評價標準要求,且壽命最短的點與球頭銷斷裂的位置基本保持一致。同時,球頭銷在上述工況下受到兩個方向的力,結(jié)合球頭銷的斷裂性質(zhì)可知,該球頭銷裝配正常。從而得出:斷裂球頭銷未經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理,材料硬度及強度均低于正常球頭銷,在交變載荷的作用下,材料發(fā)生了雙向彎曲疲勞斷裂。

4 結(jié)論和建議

(1)該穩(wěn)定桿連接桿球頭銷的斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂,而球頭銷未經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理,導(dǎo)致所用材料硬度與強度的降低,這是球頭銷斷裂的主要原因。

(2)建議嚴格執(zhí)行球頭銷的生產(chǎn)加工工藝,對其進行調(diào)質(zhì)熱處理,保證球頭銷所用材料具有足夠的強度。