某副車架轉向器安裝點疲勞失效分析及改進

駱建軍Luo Jianjun

某副車架轉向器安裝點疲勞失效分析及改進

駱建軍
Luo Jianjun

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

針對副車架轉向器安裝點在疲勞工況下失效案例進行研究，通過結構受力分析、設計方案回顧、臺架失效分析以及改進措施研究發現一種最佳的安裝點設計方案，疲勞壽命由1.4倍壽命提升至2倍壽命，并且無開裂。

副車架；轉向器安裝點；疲勞壽命；焊縫布置；熱影響區；殘余應力

0 引 言

副車架的轉向器安裝點主要起到提供轉向器安裝、保證足夠強度及剛度的作用。一般該安裝點是由套管支撐套管通過標準件連接轉向器來實現結構的設計，從而保證汽車具有良好的操控性能、耐久可靠性能及售后拆裝便捷性。設計過程中，安裝點的選型如圖1所示，經過DCS（Design Concept Sheet，概念選型）后需要進行下一步工程方案的設計及同步制造方案的評估，當數據鎖定后，需要進行工程樣件的設計驗證，無問題后進行DV（Design Validation，設計驗證）和PV（Product Validation，產品驗證）、批量物流生產，最后產品通過日常維護保證客戶有可靠的使用性能。該過程伴隨著設計、驗證、量產及售后的全部過程。

圖1 安裝點選型流程

決定一個產品是否成功的重要判定依據是設計及驗證環節，尤其是疲勞性能的驗證是重要的基礎性問題，需要給出最佳的設計方案。

1 副車架轉向器安裝點疲勞失效分析

1.1 結構、受力及材料、工藝分析

1）結構和受力分析

副車架上通常設計2～4個相同或者結構相近的轉向器安裝點，其中每個點安裝結構如圖2所示，由轉向器、副車架、套管及安裝的標準件組成。轉向器殼體屬于此位置單側懸臂受力，由于轉向器殼體為常規鑄件，根據受力的力偶=×（為外力F和F合力，為力臂）的放大效果，鈑金類零部件在該截面上面臨很大的承載考驗；因此重點對副車架側的空腔結構強度和疲勞進行關注。

副車架轉向器安裝點如圖3所示，主要為兩方面受力，一方面是轉向引起的齒條力輸入齒條；另外一方面是車輪受地面和輪心激勵的擺臂球頭受力R球頭、L球頭，傳遞到副車架本體上。

通常，對于5座家用汽車齒條取值為7～10 kN；R球頭、L球頭受發動機動力和車身重量以及路面激勵反饋的影響，其疲勞載荷約為1.5～1.8 kN，當遇到過坑等濫用工況時，其載荷達到20 kN以上；因此主要關注擺臂受力R球頭、L球頭對轉向器安裝點的影響[1]。

圖2 安裝點受力示意圖

圖3 副車架轉向器安裝點

2）材料分析

轉向器殼體的材料一般為AlSi7Mg鑄造鋁合金，其抗拉強度為290 MPa，屈服強度為220 MPa，延伸率為7%。

副車架材料一般為冷成型酸洗熱軋鋼板QSTE420，其抗拉強度為480～600 MPa，屈服強度為450～520 MPa，延伸率為19%；采用固溶強化的方法，在Fe結晶中引入Mn、Si、C、N等固溶強化元素，如圖4所示顯微組織多為鐵素體和珠光體。

圖4 固溶強化

套管一般為低碳鋼硼鋼10B21材料，具有較高的材料強度和良好的焊接性能。

3）工藝分析

制造轉向器殼體的鋁液初始溫度為650 C°，在保持580～650 C°澆鑄工作溫度時進行鑄造，整個鑄件參數包括毛坯重量、渣包重量、澆鑄流道重量及澆注口截面積等。通過設置渣包、排氣來保證鋁液的填充，如圖5所示。在澆注過程中通過對溫度、氣壓分布（1個標準大氣壓以上）、凝固過程、熱節等參數的控制，使得氣孔率、收縮等缺陷得到有效控制。

圖5 流動分析

副車架采用鈑金沖壓成型，鋼板選用的是熱連軋酸洗鋼板QSTE420，圖6為鋼板煉鋼、連鑄、熱軋以及酸洗的整個過程，其中層流冷卻工藝環節將徹底改變熱軋鋼板的材料力學。鋼板最后成卷出廠后按照開卷的工藝流程進行生產，如圖7所示，最后經過電泳及物流包裝后進入OEM（Original Equipment Manufacturer，原裝主機廠）進行整車裝配。鈑金件副車架工藝環節除了控制散件的沖壓缺陷（拉傷、開裂、起皺、回彈）外，還需要控制焊接缺陷（裂紋、氣孔、未熔合、咬邊等）。

圖6 鋼板生產流程

圖7 副車架生產流程

1.2 結構設計方案的壓潰驗證

為套管施加74.9 kN的壓潰力，其變形量小于0.2 mm（壓潰力測試前長度為58.22 mm、58.26 mm、58.25 mm，測試后長度變化分別為0.03 mm、0.03 mm、0.04 mm），如圖8所示，滿足壓潰要求。

圖8 套管的壓潰驗證

1.3 臺架失效分析

采用路譜加載的多通道耐久道進行驗證，發現在1.4倍壽命（1倍壽命相當于用戶16萬km）時轉向器安裝點附近出現裂紋，如圖9所示。經過評估，該位置的考核涉及副車架主體結構，可將臺架標準提高到2倍壽命，即具備2倍的耐久魯棒性。

圖9 開裂位置

1）斷口分析

如圖10斷口低倍形貌所示，斷口為典型的疲勞斷口，裂紋沿著焊趾擴展。

圖10 斷口低倍形貌

2）電鏡分析

采用電子顯微鏡分析，裂紋起源于焊趾表面，起源點可觀察到疲勞條紋，如圖11所示。

圖11 裂紋源微觀形貌

3）焊縫檢驗

沿開裂區域進行焊縫檢驗[3]，如圖12所示，焊縫熔深、焊高、材料厚度均滿足要求，但是在焊趾區域觀察到未熔合、焊渣缺陷，焊趾裂紋從缺陷處發生。

圖12 焊縫檢驗

4）材料檢驗

焊縫熱影響區組織無明顯異常，熱影響區硬度為158/167HV0.3，焊縫硬度為201/203HV0.3，母材硬度為203/203HV0.3，熱影響區材料強度低于母材、焊縫強度。

5）重復檢驗

對某個失效樣本檢查發現，焊趾區域未發現焊縫缺陷，熔深、焊高滿足要求，但是出現裂紋，說明不只是焊接缺陷導致了失效開裂，此位置所受外力影響較大，應該首先改善此處受力或者提升此處材料強度，如圖13所示。

圖13 某失效樣本檢查

2 提高疲勞壽命的措施

從開裂位置基本判定為焊接熱影響區的疲勞失效。圖14對焊接熱影響區特性分布進行了詳細分析，在QSTE420材料的焊接熱影響區特性分布中存在熔合區（A區）、過熱區（B區）、正火區（C區）和不完全結晶區（D區）。通過相關研究及臺架試驗證明，在力學性能上，熔合區（A區）和過熱區（B區）的韌性、塑性最差，在疲勞載荷作用下，極易產生裂紋，同時需關注A、B區的交界位置是否存在應力集中，大的交變載荷加上薄弱的材料位置疊加焊接殘余應力的分布，會形成疲勞失效的萌芽點并逐步擴散[2]。

圖14 焊接疲勞區域的劃分

針對以上的分析，由于布置、成本、重量均已選型凍結，所以主要在焊接方面進行分析（外部的輸入已經無法改變），可通過如下方案提升開裂位置的力學性能。

（1）改變焊縫布置，如圖15所示將虛線表示的焊縫取消，避開高應力位置，提升原先開裂位置材料的力學性能，同時使焊縫熔池區域與高應力點疊加增加強度，使得危險點的材料更具穩定性；

（2）調整焊接參數，由電流170 A、速度80 cm/min、電壓22 V更改為電流180 A、速度60 cm/min、電壓20 V，減少焊接熱影響區（B區）鐵素體魏氏組織的產生；

（3）將套管與鈑金的焊接間隙控制在0.1 mm內，減少焊接殘余應力。

圖15 副車架安裝點優化前后對比

3 結 論

優化方案實施后，再次對副車架樣本進行路譜多通道驗證，壽命均達到2倍壽命以上，滿足設計的魯棒性要求，其等效用戶32萬km的使用能力。

（1）副車架轉向器安裝點的疲勞載荷來自車輪位置，轉向齒條非主要載荷來源，進行相關失效分析時，需要甄別出導致開裂問題的載荷來源；

（2）在重量、成本優先的前提下，慎重選擇焊接方案進行結構設計，重點需要識別出高應力值位置，制定可靠的焊縫布置，避免疊加效應；

（3）套管焊縫的優化需要考慮焊接殘余應力的影響以及套管焊縫減短后是否會脫落；

（4）疲勞失效金相分析可以從微觀上發現開裂問題的萌芽點和失效模式，結合焊接工藝識別出焊接熱影響區的組織、殘余應力應變對失效現象的影響程度。

[1]劉惟信. 汽車設計[M]. 北京：清華大學出版社，2001.

[2]拉達伊. 焊接結構疲勞強度[M]. 鄭朝云，張式程譯.北京：機械工業出版社，1994.

[3]龔強，吳茜.扭力梁焊縫失效開裂分析及工藝優化[J].科技信息，2013（11）：110-111.

2021-04-21

U463.32+4.027

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.04.005

1002-4581（2021）04-0020-04