支架類零部件失效模式分析與改進建議

王學雙 董亞洲 黃娟 黃波 宋躍 袁百強

摘要：以支架類零件失效為主要研究對象，針對支架螺栓孔卡壓損傷引起的失效、螺栓孔微動磨損導致零部件失效、支架剛性突變引起的失效、零部件制造缺陷（毛刺、微裂紋）以及焊接類支架焊縫失效進行了失效分析，著重從零件結構特點、裂紋源形貌進行了研究，提出了改進建議。

關鍵詞：支架 零件失效 應力集中 裂紋源 疲勞斷口

中圖分類號：U466? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220241

Abstract： With bracket parts as the main research object， this paper mainly analyzed the various kinds of failures caused by the clamping damage of bolt holes， fretting wear of bolt holes， sudden change of bracket rigidity， the manufacturing defects （burrs， microcracks） and the failures of welded brackets， emphasizing on the research on structural characteristics of parts， the morphology of crack sources for proposed improvement recommendations.

Key words： Support， Part failure， Stress concentration， Crack source， Fatigue fracture

1 前言

在汽車眾多零部件中，支架類零件占比很大，此類零部件主要起到連接、支撐作用。支架類零部件一般采用螺接或者焊接的方式與其他承載類零部件連接，在使用過程中，經常會出現因連接位置剛性變化或者焊接質量不高而導致零部件失效開裂。本研究列舉了支架類零部件的主要開裂失效形式，提出了改進建議，用于指導支架類零部件的結構設計，以滿足整車使用性能需求。

2 螺栓孔損傷導致零部件失效

2.1 螺栓孔卡壓損傷

螺栓孔卡壓損傷是指在螺栓（螺母）的作用下，一些金屬零部件螺栓孔邊緣位置產生損傷的現象。零部件的螺栓孔經常會出現卡壓損傷的現象，使用過程中容易在螺栓孔位置產生應力集中效應，導致零部件失效開裂。螺栓孔的卡壓損傷是支架類零部件主要的失效形式之一。

某車型后懸置支架失效位置結果如圖1所示。零件在臺架試驗時，發生斷裂。失效位置如圖1a所示，支架的裝配位置如圖1b所示。零件在圖1的螺栓緊固部位發生斷裂失效，裂紋的宏觀形貌如圖2所示。從圖2可以看到，裂紋形貌呈現出墊片的“仿形”特征。從螺栓孔的邊緣可以看到有墊片或者螺母造成的卡壓損傷。裂紋的微觀形貌見圖3，從裂紋源可以看到，斷裂形式為彎曲疲勞開裂，裂紋源首先在卡壓損傷的邊界線處產生，之后沿著損傷線向外擴展。零部件失效的主要原因是螺栓處不均勻分布的應力（應力集中）以及施加載荷過大。

對于此類零部件，在裝配過程中，需要注意選擇合適的擰緊力矩，同時需要選擇合格的螺栓材料和零件材料，以避免出現螺栓的卡壓損傷，導致零件局部位置產生應力集中而失效開裂，在結構設計過程中，要注意合理設置螺栓孔的位置，避免因螺栓孔設置不合理形成受力不均衡，出現應力集中現象。

2.2 螺栓孔微動磨損導致零部件失效

微動磨損產生擴展裂紋的過程為：微動產生、表面漆膜脫落、金屬表面形成滑移帶、微裂紋產生并形成疏松區、應力集中嚴重、擴展性裂紋萌生，最終導致零部件失效。

某車型散熱器懸置支架裝配位置如圖4a所示，支架斷裂位置如圖4b所示，其疲勞開裂的起始位置在螺栓連接孔附近，見圖4c，懸置支架螺帽邊緣處有明顯的接觸微動磨損現象，這種微動磨損現象會誘導疲勞裂紋的萌生。如圖4c所示，螺栓孔附近損傷輪廓清晰，并且與螺母的接觸端面吻合，說明螺母與此處的接觸面是在微動下的微小磨損，并不是螺栓連接功能失效導致的撞擊。

對于此類失效零部件，要求避免螺栓（螺母、墊片等）的松動，從而消除微動磨損現象。

3 結構剛性突變導致零部件失效

結構剛性突變是指零部件在設計過程中由于結構以及空間的限制，截面狀態存在突變的情況。零部件的某一部分剛性強，不易產生變形，而另一部分剛性弱，容易發生變形，兩者之間的過渡區域為剛性變化區。在零件使用過程中，會在剛性變化區失效開裂，剛性變化導致零部件失效是支架類零件常見的失效形式。

某車型支架在試驗過程中，零件發生失效開裂。零件安裝示意圖如圖5a所示。零件在道路試驗中承受振動載荷和車架扭轉產生的載荷，零件中間位置固定在車架上，剛性強，端頭連接另一零件，剛性弱，零件失效位置位于剛性變化區。在使用過程中，過大的載荷在剛性變化區產生應力集中現象，導致零件發生疲勞斷裂。

某車型導流板下支架的裝配位置如圖6a所示，導流板下支架主要起到連接導流板的作用。該支架主要承受導流板左右振動產生的振動力以及氣流對導流板產生的扭轉力。支架一端固定于駕駛室，剛性強，另一端連接導流板，車輛行駛中支架在振動力和扭轉力的作用下最終發生疲勞斷裂，斷裂位置位于剛性過渡區，此處容易產生應力突變而導致零件失效。零件的斷口為多源疲勞（見圖6c方框區域），疲勞源起始于內彎角處，屬于低應力高周疲勞。

對于此類零部件在設計時，應注意考慮零件的結構剛性分布，避免出現剛性急劇變化區域，使剛性平穩過渡，例如可適當加大局部結構彎角尺寸從而減小局部工作應力，緩解零部件應力集中現象，避免開裂。

4 制造缺陷導致零部件失效

零件制造過程中，存在毛刺、微裂紋制造缺陷，在零件裝配到總成后的使用過程中，這些制造缺陷會造成應力集中現象，導致零部件失效開裂。

某車型儲氣筒支架在沖壓過程中發生開裂。支架宏觀形貌如圖7所示，支架裂紋源的低倍形貌如圖8所示。從裂紋源形貌分析，在沖裁斷面存在許多微小裂紋，裂紋萌生在此位置并擴展，裂紋的產生與毛刺的尖角效應形變強化有很大的相關性，疲勞裂紋源在微裂紋處形成應力集中導致零部件失效開裂。

某車型支架連接板及裝配位置如圖9所示。該支架連接板主要作用是連接載貨汽車的平衡懸架，在正常行駛過程中，支架連接板受力載荷平穩、均勻；在復雜路況下，支架連接板主要承受復雜的拉壓彎扭等載荷，其作用是減少車架振動、扭轉。在路試試驗過程中，該平衡懸架支架發生斷裂，如圖9a所示。

支架連接板的宏觀斷口形貌如圖10所示，零件的斷口為疲勞斷口，疲勞源出現在矩形截面的對角處（圖10a、圖10c），可以看出零部件的失效裂紋源產生在等離子切割的尖角位置，裂紋源表現出對等離子切割產生的表面尖角（圖11）結構的敏感性。在使用過程中，應力集中產生在尖角處，加速了零部件的失效開裂。從支架連接板的結構考慮，應該合理設置剛性分布，如采用兩端寬、中間窄的非等截面結構，過渡部位圓滑過渡，以滿足拉壓以及彎扭載荷的分布，同時注意減少或者避免在制造零件時切割面產生的尖角導致應力集中，以滿足零部件使用需求。

對于開裂位置涉及零部件制造缺陷（毛刺、斷面微裂紋）的零件，在制造過程中要選擇合理的制造工藝，避免因制坯產生的缺陷導致零部件失效開裂。

5 焊接原因導致的零部件失效

某些支架在使用過程中，需要采用焊接的方式連接到零部件中，某些零件的焊接位置由于受焊接熱影響區、起弧和收弧的尖點以及焊接缺陷影響，在使用過程中會出現開裂現象。

圖12為某車型失效的擋泥板支架，零件失效形式為彎曲疲勞開裂，疲勞源位于圖12c標注位置。對其焊接位置附近的金相組織進行分析可以看出，與基體金相組織（圖13b）相比，失效部位附近的熱影響區金相組織粗大，導致熱影響區的性能偏低，低強度的熱影響區會對異常載荷更加敏感。此次失效的擋泥板支架失效裂紋表現出了對焊接熱影響的敏感性。

某排氣制動閥支架的斷裂位置在焊接的定位銷附近，裂紋沿著金屬堆積的根部開裂（圖14）。裂紋起始于定位銷與排氣制動閥支架金屬焊接堆積的根部位置，從裂紋源以及裂紋走勢分析，失效裂紋表現出對焊接焊縫起弧尖角的敏感性。疲勞裂紋源位于零件凸焊螺母內端的2個尖角（起弧位置）焊點處，屬于組合型的多源性疲勞斷口，如圖15所示。

某車型油罐支架宏觀形貌見圖16。在路試試驗過程中，支架的焊接部位發生開裂。從裂紋的起始位置分析，裂紋產生于零部件焊接的焊縫邊緣位置，裂紋源表現出對焊接尖角的敏感性。

某固定安裝支架零件在總成焊接部位存在焊接缺陷（圖17b、圖17c），焊接質量不高，存在虛焊現象，導致零件在焊接處首先疲勞失效，隨后導致其他部位開裂。

對于開裂位置起始于焊縫熱影響區、起弧、收弧或者焊縫尖點位置的零件，要做好焊縫位置的圓滑處理，同時，要選擇合適的焊接工藝參數，避免出現焊接缺陷。

6 結束語

本研究選取汽車支架類零件不同的失效形式進行了分析，主要完成了如下4種失效模式的分析并給出了建議。

a. 支架類的螺栓孔經常會出現卡壓損傷以及微動磨損的現象，使用過程中容易在螺栓孔位置產生應力集中效應，導致零部件開裂。對于這類零部件，在裝配過程中要合理設置螺栓預緊力，注意防止產生松動引起卡壓、磨損現象，同時，在設計支架的過程中，要注意合理設置螺栓孔的位置，避免因螺栓孔設置不合理造成受力不均衡，出現應力集中效應。

b. 支架零件的剛性會存在突變情況，某一部分剛性強，不易產生變形，另一部分剛性弱，容易發生變形，兩者之間的過渡區域為剛性變化區，剛性變化導致零部件失效是支架類零件常見的失效形式。在設計零部件時，應注意考慮零件的剛性分布，避免出現剛性急劇變化的區域，使剛性平穩過渡，例如可適當地加大局部結構的彎角尺寸從而減小局部的工作應力，緩解零部件應力集中現象，避免開裂。

c. 零部件的邊緣存在毛刺、微裂紋制造缺陷，會導致零部件失效開裂，對于開裂位置起始于零部件制造缺陷（毛刺、斷面微裂紋）的零件，在制造過程中要選擇合理的制造工藝，減少因制坯產生的缺陷導致零部件開裂。

d. 對于開裂位置起始于焊縫熱影響區、起弧、收弧或者焊縫尖點位置的零件，要做好焊縫位置的圓滑處理，同時，要選擇合適的焊接工藝參數，避免出現焊接缺陷。

在進行零部件失效分析時，可以參照上述4個方面進行失效原因的分析，以力求找到合適的失效原因加以改進，使零部件達到產品設計目標，滿足整車性能需求。