汽車前軸疲勞壽命研究

本文模擬汽車前軸臺架試驗條件，使用有限元方法對汽車前軸進行靜力分析。在表面質量和內在組織性能等基本不變的情況下，通過對其薄弱點結構進行優化改進，結合受力分析和試驗驗證，以發現提升前軸疲勞壽命的其他方法和手段。

背景概況

汽車前軸作為整車最重要的鍛件之一，承受著較大載荷，使用環境和工況復雜。前軸在汽車行駛中承受著交變應力、力矩及變形力的作用，如果前軸的疲勞性能達不到標準，將有可能造成嚴重后果，帶來巨大損失，所以前軸的疲勞性能已成為評價鍛件質量的主要指標。

某前軸在臺架疲勞試驗中，發現前軸座板背部出現早期斷裂現象。常規研究前軸疲勞失效的方法主要是對失效前軸進行理化檢測，探究表面質量、內部微觀組織以及力學性能等對前軸疲勞性能的影響，進而通過調整和優化工藝來提高前軸疲勞壽命。

本文則是從另外一個角度進行疲勞強度分析驗證和探究，以期發現提高前軸疲勞壽命的其他方法和手段。

某型前軸臺架疲勞壽命試驗

按照國家QC/T 483-1999《汽車前軸疲勞壽命極限》和QC/T 513-1999《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》，在疲勞試驗臺架上對開發的前軸進行臺架疲勞試驗，在前軸的兩端安裝轉向節，并在兩側輪距位置設置固定塊。按照《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》對前軸進行加載，垂直載荷為交變載荷，其范圍為9.8×103～6.86×104kg，試驗頻率為5Hz，垂直載荷作用于前軸座板處，試驗臺架如圖1所示。

臺架試驗的前軸材料為40Cr，樣品為3件，試驗結果是分別在30萬次、36萬次、20萬次的循環載荷時，前軸座板背部和工字筋處斷裂（圖2）。采用理化分析方法對該前軸進行失效分析，結果表明前軸的化學成分、金相組織、硬度均符合技術要求，工件的表面質量總體尚可，無明顯鍛造缺陷。現采用有限元的方法對前軸進行結構受力分析。

圖1 前軸疲勞試驗臺架

圖2 前軸座板背部

前軸有限元靜力分析

針對上述情況，用有限元法模擬臺架試驗，對前軸進行靜力學強度計算。

模型建立及網格劃分

首先將如表1所示的40Cr材料模型，導入到有限元模擬軟件中，并對前軸模型進行網格劃分（圖3），整個模型主要采用體單元，共計15932個節點。

圖3 前軸有限元模型

模型加載及計算結果

前軸臺架試驗中，前軸在兩騎馬螺栓處承受來自板簧的垂直支撐載荷F。在計算中主要考慮極限載荷Fx·fx,其中Fx為交變動載荷，fx為動載系數，取動載系數為3.5。由于模型和載荷都是關于前軸縱向中央平面對稱，因此前軸中央平面滿足對稱約束。為避免出現剛體位移，對兩端的主銷孔進行全約束。

圖4 前軸等效應力分析

圖4所示為前軸等效應力分布狀態，從靜力計算結果看，在前軸座板背部出現明顯的等效應力集中區。在模擬的交變載荷作用下，出現裂紋并斷裂，這與臺架試驗中的斷裂位置也基本吻合。為此進一步進行受力分析，并對前軸結構進行適當改進。

前軸應力分析及結構改進

受力分析

前軸受力簡圖如圖5所示，前軸座板在垂向力G1作用下，A-A截面承受垂向彎矩。在臺架疲勞試驗循環至滿載情況時，前軸所受載荷突然加大，此時前軸應力集中最嚴重。工字筋及座板上表面均受到壓應力，而工字筋以及座板下表面受到拉應力。拉應力會使得前軸表面裂紋萌生并擴展。

圖5 前軸受力簡圖

對于工字梁截面，簡化后如圖6所示，其截面系數分別為：

危險點的最大正應力和最大剪應力公式分別為：

這里M和T分別為彎矩和扭矩。根據第四強度理論，前軸的合成應力為：

表1 40Cr材料模型

圖6 簡化的工字梁截面

從公式(5)可以看出，要使應力減小，需要Wx增大。因而在設計時，將工字梁的抗彎截面模量提高，可使前軸的應力水平降低。

針對以上分析及前面臺架試驗和理論計算的結果，對前軸座板截面進行調整，再進行有限元靜力學分析，對改進設計的前軸進行評估。

前軸座板處改進

圖7所示為前軸座板處的改進方案。由抗彎截面模量公式計算得出圖7(a)為56238mm3，圖7(b)為73190mm3，抗彎截面模量提高了23%。對改進后的前軸進行有限元分析，圖8所示為改進后前軸等效應力分布狀態，可以看出最大等效應力明顯下降，約為材料極限強度的1/2，并且前軸座板處的應力集中區明顯消散。模擬結果表明，對前軸的改進，減少了前軸座板的應力集中，提高了前軸疲勞強度。

圖7 前軸座板改進

圖8 改進后前軸等效應力分布

改進后物理試驗結果

在表面質量和內在組織性能等基本不變的情況下，對結構改進后的前軸進行臺架疲勞試驗，其疲勞載荷次數分別為60萬次、81萬次、100萬次（未斷），其斷裂位置位于前軸主銷孔處（圖9）。試驗結果表明，此處的結構改進明顯提高了前軸的疲勞性能，也從另外一個角度說明了前軸本身的結構設計對產品的疲勞壽命具有較大影響。

圖9 前軸疲勞斷裂位置

結論

⑴通過有限元受力分析和試驗，驗證了理論分析和試驗結果的基本一致性。通過對前軸結構進行優化改進，是可以提升其疲勞壽命的。

⑵在精確建模的基礎上，模擬計算前軸的結構強度，找出其結構上的薄弱環節。通過結構性的設計改進，應可以進一步提升其疲勞性能，包括對工字筋、彎部等截面的優化（生產企業與主機廠需達成一致，兼顧產品輕量化）。

⑶鍛造工藝應科學合理先進，前軸產品的表面質量和內在質量應當保證，如鍛件應光亮飽滿、過渡流暢、切邊平整、內在組織等機械性能優良。