面向總成的低溫沖擊試驗研究

何洋，許玉曼，夏添，楊雨圣，盧朋朋

（1. 東風汽車公司技術中心，武漢 430058 2. 襄陽達安汽車檢測中心，襄陽 441004）

面向總成的低溫沖擊試驗研究

何洋1，許玉曼1，夏添2，楊雨圣1，盧朋朋1

（1. 東風汽車公司技術中心，武漢 430058 2. 襄陽達安汽車檢測中心，襄陽 441004）

低溫沖擊是檢驗總成低溫脆性的有效手段之一，而現有針對總成的試驗方法和設備的研究較為缺乏。結合實際工程需求，提出了一種面向大型總成的低溫沖擊試驗方法；基于有限元法（FEM），設計了一套大沖擊功低溫試驗設備；最后通過某型后橋總成的低溫沖擊試驗，證明了所述試驗方法和試驗設備設計的正確性。

零部件總成；低溫沖擊；試驗方法；試驗設備；低溫脆性

何 洋

畢業于山東大學機械工程學院，碩士研究生，現任東風技術中心工程師，研究方向為整車及零部件可靠耐久性試驗。

材料在低溫條件下的韌脆轉換，導致零件在低應力水平下也會發生脆性斷裂[1]。低溫脆斷較其他失效形式更加難以預防，造成的危害往往十分巨大。當前，零部件總成大多基于材料的低溫數據進行相關計算校核，由于零件設計、加工等因素影響[2]，致使采用該方法推導而得的結果不如基于總成的低溫沖擊結果直接、準確，加之大型總成對試驗設備、試驗方法的要求與其他類型樣件存在差異，導致可供參考的試驗方法及設備較少，相應的研究亦較為缺乏。針對以上問題，結合工程實際需求，提出了一種面向大型總成的低溫沖擊試驗方法；基于FEM，設計了一套大沖擊功低溫試驗設備；最后利用上述試驗設備和方法，復現了某型后橋的失效過程并測得了沖擊功，證明了所述試驗方法以及試驗設備的正確性。

1 試驗設備設計

大型總成對沖擊功要求較高，導致所需沖擊試驗機形體偏大，為節約成本，環境箱不覆蓋沖擊試驗機，設計的試驗系統如圖1所示。系統可分為兩部分：1、低溫環境箱，2、擺錘沖擊試驗機。環境箱在試驗開始時覆蓋在試件上方，冷浸預處理完成后從試件上方吊離。

1.1 低溫環境箱設計

當前低溫沖擊常用冷源及特性如表1所示[3]，通常自然環境不會低于-90 ℃，對于一般總成試驗而言，液氮即可較好的滿足使用需求。

表1 常用冷源特性

液態氮氣溫度極低，若直接接觸試件，極易造成試件表層溫度分布驟變，從而形成裂紋破壞試件，因此液氮在進入環境箱時，需在低溫箱中提前與高壓室溫氣體混合，再通過箱體內部的蜂窩孔均勻噴撒在試件上。利用低溫氣體下沉、高溫氣體上浮原理，將液氮入口布置在高壓室溫氣體上方，有利于兩種不同溫度氣體的充分混合，同時高壓氣體的高流速有利于混合好的氣體在低溫箱中進行擴散，環境箱整體結構如圖2所示。該形式的環境箱整體結構剛度好，質量輕，便于吊裝，且制造成本低廉，經過試驗證明，其同時具備較好的保溫隔熱效果。

1.2 擺錘沖擊試驗機結構設計

大型總成除沖擊功要求外，通常對碰撞方向控制要求也較高。為滿足以上需求，采用四根擺臂下掛箱體式沖擊錘的擺錘設計方案。箱體為后續增加配重提供了空間，兩組平行四邊形機構可在保證強度、剛度要求的同時，確保在任意位置撞擊試件時錘頭始終保持水平，使撞擊方向更易控制，整體結構如圖3所示。當擺錘撞擊試件反彈后，鎖止桿升起并將擺錘鎖止，以防止擺錘對試件造成二次沖擊傷害。

1.3 基于FEM的設計驗證

由于沖擊試驗機具備中間對稱結構，因此取其一半進行建模并劃分網格。為滿足碰撞分析網格劃分要求，對三角形單元比例以及單元長寬比等參數進行了控制[4]，所得有限元模型如圖4所示。采用剛度沙漏控制法，控制系數設定為0.06[5]，避免了沙漏現象的出現。以設計工況的1.5倍為邊界條件，得出沖擊試驗機最大馮·米塞斯應力為285.1 MPa如圖5所示，低于330 MPa的屈服極限,當前的設計滿足了現有試驗要求。

2 試驗方法設計

2.1 樣件預制

當前低溫沖擊試驗冷浸一般采用恒溫冷凍，冷浸時間通常為5～15分鐘[6,7]。近期研究表明，冷卻速率、冷凍溫度以及冷凍時間均會對零部件總成的低溫特性造成較大影響[8]，因此，如圖6所示將冷浸過程設計為如下三個階段：

初期階段：為了模擬自然環境下的低溫工況，在冷卻初期溫度下降速率設計偏緩，以避免零部件總成過脆或出現凍裂，從而影響試驗準確性；

中期階段：根據傳熱學理論，短時間內零部件總成溫度一般要高于冷媒溫度[9]，因此當環境箱溫度達到試驗溫度時，還應繼續將溫度調低5%～10%左右并保持一段時間，以達到迅速冷卻零部件總成溫度的目的。

末期階段：冷凍末期，應將溫度緩慢回調到試驗溫度并保持較長時間，以便于零部件總成材料性能充分完成轉變。

2.2 沖擊功的測量計算

當前計算沖擊功的方法主要有兩種：1、GB/T229-1994中以計算擺錘勢能變化求解沖擊功，2、通過測量沖擊力和位移來計算沖擊功[10]。擺錘沖擊試驗下落過程中，軸承摩擦等不可控因素會吸收部分勢能，加之位移及力信號時間歷程測量難度及費用較高，導致兩種方法應用過程中均存在一定的局限。結合沖擊試驗特點，提出以測量擺錘碰撞前后的速度來求解沖擊功，所需設備僅為一個速度傳感器，計算公式如式1所示。式中，J 為沖擊功，m 為沖擊錘碰撞位置的當量質量，vt為撞擊后的沖擊錘速度，v0為撞擊前沖擊錘速度。

3 后橋零部件總成低溫沖擊試驗

某型車在進行寒區試驗時，后橋某處出現了低溫脆斷現象。為驗證后橋低溫脆性是否滿足使用需求，需進行低溫沖擊試驗。將車橋在環境箱中冷凍，溫度控制曲線如圖6所示，之后將沖擊錘舉升到設定高度并讓其自由落下撞擊車橋，車橋在與寒區試驗時相同位置發生了脆性斷裂，如圖7所示。測量撞擊前后沖擊錘速度，根據式1計算出沖擊功為1620J，證明了后橋在縱臂部位抗低溫脆斷性能存在不足，為后續改善提供了依據。

4 總結

（1） 結合實際工程需求，針對大型總成特點，設計了擺錘沖擊試驗機和低溫環境箱，并基于FEM驗證了設計的合理性。所述環境箱及沖擊試驗機經過使用實踐，證明其結構合理、工作性能良好；闡述的基于CAE驗證分析方法,可為其他沖擊、碰撞類試驗的開發提供參考。

（2） 針對現有低溫沖擊試驗研究的不足，提出了一套面向大型總成的低溫沖擊試驗方法，并對試驗溫度控制、沖擊功的計算等方法進行了論述，所述內容對現有沖擊試驗方法進行了有效補充。

[1] 孫增林. 關于低溫低應力脆斷問題[J].機械工程材料. 1983, 4: 7-10.

[2] 唐振廷, 陳一龍. 沖擊試驗的現狀與發展[J]. 汽車工藝與材料. 2004(10): 1-5.

[3]郭懷東,李東林,黃仁太.GB150標準低溫沖擊試驗溫度規定修改意見[J].壓力容器.2012

[4] 牛正風. 貨車駕駛室擺錘碰撞安全性研究[D]. 長沙: 湖南大學, 2011.

[5] 王暄, 陳弘, 董麗莉, e t a l. CATARC汽車模擬碰撞試驗系統的研究[J].汽車技術. 1996(4): 7-10.

[6] 林曉新. 運用常溫沖擊試驗機進行低溫沖擊的試驗方法[J]. 嘉應大學學報. 1998(3): 92.

[7] 孔永華, 飛王, 李東方, et al. GH4169合金的低溫沖擊試驗[J]. 低溫工程. 2011(182): 11-15.

[8] 周欣萍. 溫度和載荷速率影響結構鋼脆性的本質探討及脆斷控制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2005.

[9] 郭懷東, 李東林, 黃仁太. GB150標準低溫沖擊試驗溫度規定修改意見[J].壓力容器. 2002, 19(12): 4-5.

[10] 李運升, 王耀邦. 沖擊器回轉試驗臺沖擊功的計算機測量方法_李運升[J]. 中國水運. 2007, 07(11): 72-73.

專家推薦

李鴻飛：

低溫沖擊性能是結構件非常重要的指標。由于相關設備昂貴等條件限制。大部分大尺寸的零部件的低溫沖擊性能只能在實際應用中得到檢驗。本文介紹了一種低成本的試驗方案。并實際應用驗證可行，有推廣應用的價值。

The Study on Low-temperature Impact Test for Parts Assembly

HE Yang1, XU Yu-man1, XIA Tian2, YANG Yu-sheng1, LU Peng-peng1
( 1.Dongfeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan 430058, China 2.Xiangyang Daan Autompbile Test Center, Xiangyang 441004, China )

An effective means to verify the brittleness of parts assembly at low temperature is low temperature impact test, but the existing researches about test methods and equipment for parts assembly are rather lacking. With the actual project requirements, proposed a low-temperature impact test method for parts assembly, designed a lowtemperature impact test equipment, verifying the rationality of design based on FEM as well. Finally through a certain type of rear axle's low-temperature impact test, proved that the designs of low-temperature impact test method as well as equipment are correct.

Parts assembly; Low-temperature impact test; Low-temperature impact equipment; Black brittleness; FEM

C33

A

1005-2550（2016）01-0064-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.013

2015-05-19