汽車鋁合金轉向節可靠性試驗失效分析

楊東光 李秋芳

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

汽車鋁合金轉向節可靠性試驗失效分析

楊東光 李秋芳

（中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011）

本文以使用AlSi7Mg鋁合金、采用差壓鑄造工藝實際生產的汽車轉向節為例，針對零件在可靠性試驗過程中出現的失效問題，對產品的結構、材料性能、試驗原理、試驗方案及試驗工裝等進行分析，依次排除影響產品試驗壽命的各個因素，確定關鍵因素并對其進行優化，最終使產品成功通過可靠性試驗驗證，確保該產品在裝車后的安全性。

鋁合金轉向節 差壓鑄造 可靠性 試驗分析

1 序言

轉向節是汽車轉向系統中的關鍵零件，它與汽車懸架、前車軸、轉向系統以及制動器總成相連，具有承載汽車前部載荷，支撐并帶動前輪繞主銷轉動從而實現汽車靈活轉向的作用。轉向節的安全可靠性直接影響著整車的行駛可靠性以及車載人員的生命安全，因此對其機械性能及外形結構要求嚴格，是汽車上的重要安全零件之一，故在產品開發過程中，最重要的工作之一就是驗證產品的疲勞壽命。

本文通過對某款汽車鋁合金轉向節可靠性試驗過程中出現的問題進行分析，查找影響試驗壽命的關鍵因素，并對其進行了改善并最終使產品成功通過可靠性試驗驗證。

2 產品試驗要求及結果

本款轉向節需要進行的可靠性試驗包括：側向力疲勞試驗、制動力疲勞試驗、轉向力疲勞試驗。其中，對側向力疲勞試驗原理如圖1，試驗條件為載荷FS=3.4±13.3kN，FB=0，循環次數Nerf ≥20000次；正弦曲線方式加載。

根據以上試驗要求，將轉向節裝在專用試驗工裝上，該工裝模擬轉向節裝車后的裝配關系，加載端連接25kN，250mm作動器，如圖2。整套試驗系統模擬汽車在轉彎過程中因離心力的趨勢產生的由地面作用在輪胎上的橫向力，最終傳遞給轉向節。

圖1 側向力試驗原理

圖2 側向力試驗臺架

作動器對轉向節進行加載后，循環次數需至少達到20000次不出現裂紋方可通過試驗驗證，但試驗結果顯示，當循環次數僅達到6000-8000次時，轉向節即出現裂紋，試驗系統自動停機，結果失效，如圖3。需對試驗失效問題進行分析。

3 失效問題分析

3.1 對試驗工裝分析

相對于整車坐標系，試驗工裝各鉸接點存在理論坐標，如圖4。使用手持三坐標測量儀對各鉸接點進行測量，得出各點實際坐標值，與理論坐標對比，如表1。結果顯示坐標最大偏差為1.26mm，該偏差不足以對試驗結果造成影響，故工裝尺寸及安裝精度影響因素被排除。

3.2 對樣品材料性能分析

針對失效零件進行材料性能分析。在裂紋產生處對斷口進行顯微觀察，發現在螺栓孔與安裝面的倒角處，產生低周循環疲勞裂紋，裂紋產生后，在載荷作用下開始擴展，直至因變形量增大導致試驗系統自動停機，在裂紋斷面上，未發現氧化物及其他鑄造缺陷，如圖5。

圖3 側向力試驗裂紋情況

圖4 側向力試驗關鍵點

對樣品進行力學性能檢測。在緊鄰裂紋位置處加工拉伸試棒進行拉伸試驗，同時，對樣品同批次的3件零件進行力學性能檢測。結果顯示，失效樣品及同批次零件的力學性能均滿足標準要求數值，且結果分布一致，如表2，不是造成試驗失效的原因。

圖5 斷口分析

圖6 失效位置顯微組織分析

圖7 安裝面接觸不全

對樣品進行顯微組織觀察。在緊鄰裂紋位置處將零件切開，對截面進行研磨后在金相顯微鏡下放大50倍及200倍觀察樣品顯微組織。結果顯示，鑄件內部α-Al枝晶細小，與共晶體均勻分布，共晶 Si呈小圓顆粒狀，缺陷率＜0.1%，最大孔隙直徑＜0.1mm，滿足標準要求，如圖6，對樣品試驗壽命無不利影響。故樣品材料性能影響因素被排除。

3.3 與進口CKD件進行對比分析

本款產品為國產化零件，使用差壓鑄造工藝生產，與之完全相同的CKD件在國外已經批量生產多年，CKD件使用重力鑄造工藝生產，并已通過試驗驗證。將進口CKD件安裝在此套工裝上，設置相同的試驗參數進行驗證。結果顯示，CKD零件在試驗進行到4000-6000次循環時，樣品出現裂紋并自動停機。

根據兩款產品的生產工藝對比分析，差壓鑄造是金屬液在一定壓力下凝固結晶的工藝，而重力鑄造是在大氣壓力下，依靠自重成型。與重力鑄造工藝相比，差壓鑄造產品晶粒細小，組織致密，力學性能可提高10%-50%，故使用差壓鑄造的國產化零件試驗壽命應高于進口CKD零件。

根據目前的試驗結果，進口CKD零件在4000-6000次循環時就出現裂紋，但在國外此零件已通過試驗驗證，在相同的試驗條件下，相同狀態的零件在不同的試驗工裝上出現不同的試驗結果，說明試驗工裝是導致樣品試驗失效的主要因素，故應繼續對試驗工裝進行深入分析。

轉向節在試驗前需要對其整體噴涂白色油漆，以便于檢測裂紋長度。通過對失效樣品的觀察，發現轉向節安裝面上有一圈明顯的殘留油漆，因此判定零件進行試驗時安裝面并沒有和工裝完全接觸，因此螺栓孔周圍接觸不全導致螺紋孔受力不均，可能是造成產品失效的主要原因，如圖7。

經過對零件安裝面及加載臂安裝面平面度進行檢測，結果顯示兩個平面的平面度均滿足≤0.05mm的要求。再次對安裝螺栓進行檢查，發現使用的螺栓等級為8.8級，但在汽車底盤系統中，所有螺栓等級要求≥10.9級。轉向節在試驗過程中，使用沿圓周均布的三根螺栓與加載臂相連，在加載臂受到正向推力時，位于頂端的螺栓受到拉力，如圖8，在拉力的作用下，8.8級螺栓因強度不足發生塑性變形被拉長，導致轉向節與加載臂之間出現縫隙，此縫隙在載荷循環的過程中越來越大，導致頂端螺栓孔周圍應力增大，在未達到要求循環次數時便產生疲勞現象，出現裂紋。

圖8 螺栓受力分析

表1 試驗工裝關鍵點坐標測量結果

表2 失效樣品力學性能檢測結果

表3 改進后試驗結果

更換10.9級螺栓后重新進行試驗，試驗結果明顯改善，側向力疲勞試驗壽命均能達到50000-60000次循環，遠遠超出標準要求，見表3。

4 結語

本文通過對轉向節側向力疲勞試驗的工裝尺寸、轉向節材料、與CKD零件對比等進行分析，找出試驗失效的主要因素，通過改善試驗條件，提升了轉向節可靠性的試驗壽命，驗證了產品結構設計的合理性，降低了產品在汽車使用過程中轉向節斷裂的風險。