淺析汽車零部件疲勞試驗

【摘要】疲勞是汽車零部件的基礎屬性之一，各類部件的疲勞上限和下限很大程度上影響著汽車性能，了解其疲勞問題、試驗方法是對零部件疲勞屬性進行優化的基礎?；诖?，本文以汽車零部件疲勞破壞過程作為切入點，從宏觀和微觀角度展開分析，再以此為基礎，分別就汽車零部件疲勞分析計算、汽車零部件疲勞試驗設計、汽車零部件疲勞試驗過程與結果展開論述，為后續工作的開展提供參考。

【關鍵詞】汽車零部件；疲勞試驗；循環載荷；塑性應變；彈性應變

零部件疲勞強度是其質量的核心指標，是指材料經無限多次交變載荷作用而不會產生破壞的最大應力，稱為疲勞強度或疲勞極限。通常情況下，任何金屬材料都不可能做無限多次交變載荷試驗，當其作為汽車零部件投入使用后，會在長期工作中出現種種形變，損傷零部件功能，當這種損傷積累達到一定限度，就會出現破壞。疲勞試驗可對零部件的疲勞強度進行測試，了解參數并尋求改進。

一、汽車零部件疲勞破壞過程

汽車零部件的疲勞破壞可分為多種類型，但其基本原理是相同的，即零部件在循環載荷作用下，在局部最高應力處的晶粒上形成微裂紋，然后發展成較大裂紋，裂紋繼續擴展，最終導致疲勞斷裂。換言之，零部件的疲勞破壞分為裂紋形成、擴展和瞬斷3個階段。對常規的疲勞破壞進行分析，可以發現大部分零部件的初始破壞往往出現于亞表面，即從大晶粒處穿晶斷裂，形成亞微觀的疲勞裂紋，這種裂紋可能十分微小，無法得到發覺，在零部件持續工作中，受到外荷載的影響，裂紋會沿切應力方向持續擴大，造成較大的裂紋，使零部件嚴重破損。

宏觀上看，可著眼于零部件的塑性應變和彈性應變兩個指標。在汽車零部件工作過程中，循環荷載是持續存在的，其應力水平隨工作態勢的變化存在差異，當應力處于較低水平時，零部件的彈性應變起主導作用，隨著應力水平的持續提升，塑性應變不斷積累，漸漸成為主導疲勞破壞的核心因素。因此，單純以塑性應變/彈性應變的應力水平進行疲勞壽命的描述，都是不科學的。綜合對兩類應變進行考慮，可明確一個關鍵指標，即“過渡壽命點”，過渡壽命點P的右側，表示低應力水平循環區，是彈性應變為主導的區域，過渡壽命點P的左側，表示高應力水平循環區，是塑性應變為主導的區域，塑性應變（線條1）、彈性應變（線條2）和總應變（線條3）的壽命曲線如圖1所示。

二、汽車零部件疲勞分析計算

嘗試進行汽車零部件的疲勞分析，首先要明確疲勞破壞的類型，按一般疲勞發生的態勢來看，可以將零部件疲勞分為高周疲勞和低周疲勞，“周”即循環周期，高周疲勞也即長期工作負載下導致的積累性疲勞破壞，如零部件檢修周期長、工作壓力大導致的壓力性裂紋等。低周疲勞多指負載驟然加大導致的突發性破壞，這種破壞的基礎也是小裂紋和一定的工作疲勞，因此不考慮純粹的撞擊破壞。

以不同的工作環境為標準，汽車零部件的疲勞破壞還可以分為高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞和隨機疲勞，高溫疲勞是指作業溫度較高情況下，零部件出現的破壞，較為典型的是形變和衍生裂縫。低溫疲勞與之對應，汽車零部件在低溫環境下脆性增加，機械強度會出現下降。熱疲勞是指與汽車電力系統存在連接的部件，在電力影響下出現的氧化等問題。腐蝕疲勞是指在汽車零部件工作中被酸堿物質、水侵蝕造成的破壞。接觸疲勞是指啟動、使用過程中，互相產生摩擦、碰撞導致破壞的零部件。隨機疲勞是指不帶有規律性的零部件疲勞破壞情況，可與上述疲勞情況共同存在。

在工程中應用的疲勞壽命估算方法有兩類，一類是常規疲勞設計中根據S—N曲線，應用線性疲勞累積損傷理論進行壽命估算，這種方法稱為名義應力法，得到的是總壽命。也即圖1所示的塑性應變、彈性應變和總應變壽命曲線，評估結果帶有宏觀價值，能夠直接指導后續的零部件優化作業。另一類是用局部應力一應變法估算裂紋形成壽命，用斷裂力學估算裂紋擴展壽命，兩者之和為總壽命，該方式需要通過復雜的參數計算和模擬試驗進行分析，試驗一般包括開放性、約束性兩種。開放性試驗取固定的試驗對象，不斷增加外荷載，模擬工作態勢，了解零部件出現疲勞破壞的時間，約束性試驗取固定的疲勞破壞級別，通過調整負載的方式了解該級別下汽車零部件的工作情況。目前，國內部分機構以零部件疲勞試驗臺架進行汽車零部件的性能測試，收效較為良好。

三、汽車零部件疲勞試驗設計

對汽車零部件進行疲勞試驗，一般需考慮零部件的受力態勢，由于相當一部分零部件結構復雜（復雜結構零部件也往往是疲勞試驗的主要對象），需應用有限元分析法，對零部件不同受力區域進行劃分。以零部件疲勞試驗臺架作為測試設備，還需要進行參數的處理，在本次試驗設計中，零部件疲勞試驗臺架的各項參數如表1所示。

以控制臂總成的疲勞分析為例，控制臂總成是安全部件，多位于汽車底盤處，在有限元分析法下，對其不同結構進行分析，采用SOUD模型，同時采用四面體單元劃分網格。單元長度為5.5mm，節點數23245，單元數69955。考慮到控制臂總成在實際工作中不是獨立工作的，對其邊界效應進行分析，額外增加4個彈簧元，材料特性彈性模量取實測值，固定為2.08105N/mm2，泊松比默認為0.27，邊界約束采用放松自由度與彈簧元處理，載荷大小為5.4kN。該控制臂為焊接結構，分上下兩個沖片，以橡膠襯套和球絞與其他部件相連，疲勞試驗要求考察控制臂的疲勞裂紋破壞情況，采用名義應力法計算疲勞壽命，有限元建模控制臂的幾何模型，通過CAD軟件生成，然后由MSC/PATRAN讀入。

四、汽車零部件疲勞試驗過程與結果

疲勞試驗的主要目的為考察控制臂總成在汽車加速和制動情況下的耐久性，分為三組，第一組為開放性試驗，了解控制臂總成在不同工作態勢下，是否出現疲勞破壞。默認載荷頻率為1Hz，波峰為+1，波谷為-0.799，振幅默認為5.2kN（正弦載荷），試驗中累計模擬震動2.8105次，左右兩側控制臂默認為2個。4個樣本的試驗數據如表2所示。

從試驗結果上看，當循環次數超過900000次時，樣本會出現斷裂；當循環次數超過800000次時，樣本出現裂紋；當循環次數低于800000次時，樣本完好。這表明汽車零部件疲勞破壞受到循環壓力的顯著影響。

在此基礎上，進行第二組試驗。第二組試驗為約束性試驗，將默認參數代入有限元模型中，設置約束條件為控制臂總成性能完好，變量條件為負載值，默認載荷頻率為1Hz，波峰為+1，波谷為-0.799，振幅默認為5.2kN（正弦載荷），試驗中累計模擬震動2.8105次，左右兩側控制臂默認為2個。4個樣本的試驗數據如表3所示。

從結果上看，在約束性試驗下，樣本的工作態勢同樣與工作負載直接相關，工作壓力越大，其破壞情況越嚴重。第三組試驗主要選取加工尺寸、處理工藝不同的材料進行試驗，試驗結果上看，不同尺寸和工藝下，樣本的疲勞強度也存在差異，其基本變化的規律性為：尺寸上越規范、表面處理工藝越理想（毛刺少），零部件的應力分散越平均，其疲勞壽命越理想。試驗數據如表4所示。

五、試驗分析

對三組試驗進行分析，獲取汽車零部件疲勞影響因素和應對方法如下。

（一）汽車零部件疲勞影響因素

汽車零部件疲勞影響因素包括三個方面，一是平均應力，二是應力集中和應變集中，三是尺寸和加工工藝。平均應力的影響在第一組、第二組試驗中體現得較為明顯，無論采取何種試驗方式，性能相近的零部件均會在持續的工作壓力下出現裂紋甚至斷裂。所生成的材料特性曲線，都是在對稱循環下的材料疲勞曲線，各類零部件在實際工作中面臨的載荷是極為復雜的，隨機疲勞的存在也會增加零部件的破損的可能。

應力集中和應變集中的影響，分別體現在高周疲勞和低周疲勞兩個方面。在零部件的截面幾何形狀突然變化處，容易形成應力集中現象。從控制臂疲勞試驗上看，應力集中的部分，基本上是疲勞容易發生破壞的區域。如控制臂總稱的轉彎處，在有限元分析中，發現其受力水平為兩端的2.5倍以上，在制動過程中則可能達到兩端受力水平的3.5倍以上，導致長期工作疲勞累積，出現裂紋和斷裂。應變集中則會導致低周疲勞，主要體現在一些荷載驟然增加的情況下。尺寸和加工工藝的影響相對較小，該問題目前來看是相對可控的。

（二）汽車零部件疲勞影響因素的應對方式

嘗試提升汽車零部件疲勞壽命，應對上述問題，可就三個方面入手，一是合理進行選材，二是加強表面處理，三是優化零部件結構。選材方面，要求注意滿足靜強度要求，同時確保材料具有良好的抗疲勞性能。從試驗過程中可以發現，所有零部件的使用都不可避免地存在老化問題，但在兩個核心指標（塑性應變、彈性應變）上，質地越優良，零部件疲勞極限越高?？赏ㄟ^材料疲勞性能曲線進行性能分析，合理選材。此外，平均應力試驗下所獲結果往往較實際結果偏大，所獲的零部件壽命因此較長，需要在實際工作中給予考量。

表面處理上，可通過噴丸工藝進行冷加工，提高疲勞強度，降低零部件受載時表層的最大拉應力，從而提高零部件的壽命。此外，傳統的淬火、滲碳以及新式的氮化工藝，能夠提升汽車零部件表面熱處理的效果，使零部件表層硬化，表層產生很高的殘余應力，提高疲勞強度。結構的優化方面，受零部件上的應力梯度、拋光水平影響，其表面的工作性能存在差異，可能導致工作中出現應力方面的無序變化，導致疲勞極限降低，可給予針對性加強，同時針對一些容易出現斷裂的危險部位，如控制臂的局部過渡等進行優化，提升零部件的疲勞性能。

六、結語

綜上，汽車零部件疲勞問題不可避免，通過試驗可以發現，零部件疲勞的影響因素是相對固定的，包括平均應力、應力集中和應變集中、尺寸和加工工藝三個方面。為求優化零部件性能，在后續工作中，要求合理進行選材，同時加強零部件表面處理，并在不影響其功能的情況下，對零部件結構進行優化，以綜合應對上述問題，優化零部件性能。

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作者簡介：劉松（1978.08—），男，漢族，湖北武漢人，本科，高級技師，研究方向：汽車變速箱、底盤零部件試驗。