汽車穩定桿連接桿球頭銷斷裂原因

袁成逸,李 迪,楊毅濤,徐文雷

[吉利汽車研究院(寧波)有限公司,寧波 315336]

汽車通過穩定桿來調整側傾角的剛度,以改善汽車的行駛穩定性,因此穩定桿連接桿與連接件之間球頭銷的性能直接影響車輛駕乘的操縱穩定性以及乘坐舒適性[1-3]。在對某型號汽車進行結構強度耐久路試時,其穩定桿連接桿球頭銷發生斷裂現象。球頭銷選用的材料為42Cr Mo鋼,該鋼是一種優質合金高強鋼,經過調質處理后,該鋼具有優良的綜合力學性能,已廣泛應用于汽車、航空航天及工程機械等領域[4-8]。球頭銷的主要生產工藝為:下料→冷鐓→淬火→高溫回火→滾絲→粗車→精車→滾光→清洗→入庫。筆者采用一系列理化檢驗和有限元方法分析該球頭銷斷裂的原因,以避免該類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

穩定桿連接桿球頭銷宏觀形貌如圖1所示,箭頭所指為斷裂位置。由圖1可知:球頭銷沿頸部應力集中處斷裂,斷口附近未發生明顯宏觀塑性變形。

球頭銷斷口宏觀形貌如圖2所示。根據斷裂紋理特征,可將斷口分為4個區域:上下兩側為裂紋源區Ⅰ和Ⅱ;沿上下兩側向中心延伸的為裂紋擴展區Ⅰ和Ⅱ,這兩個區域的斷裂紋理較細,顏色呈白亮色;中間區域為最終斷裂區,該區域斷裂紋理較粗糙,顏色呈暗黑色。

圖2 斷裂球頭銷斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

采用直讀光譜儀對斷裂球頭銷材料進行化學成分分析,結果如表1所示,其結果滿足GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求。

表1 斷裂球頭銷的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡(SEM)和能譜分析

將斷裂球頭銷的斷口放置在場發射掃描電子顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知:斷口上下兩側裂紋源區Ⅰ和Ⅱ可見疲勞臺階;裂紋擴展區Ⅰ和Ⅱ可見明顯的二次裂紋,呈疲勞斷裂特征;最終斷裂區可見韌窩形貌,呈瞬時拉開的斷裂特征。

圖3 斷裂球頭銷斷口SEM 形貌

1.4 金相檢驗

沿球頭銷斷口附近截取試樣,將試樣磨制拋光,并用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,用光學顯微鏡觀察試樣,結果如圖4所示。由圖4可知:表層與心部顯微組織均為珠光體和鐵素體,非回火索氏體組織,表明該球頭銷沒有經過調質熱處理。

圖4 斷裂球頭銷的顯微組織形貌

1.5 硬度測試

采用維氏硬度計對斷裂球頭銷進行硬度測試,試驗載荷為98 N,保持時間為15 s,結果為241,243,239 HV,不滿足技術要求(321～371 HV)。

2 有限元分析

2.1 強度有限元分析

穩定桿連接桿球頭銷的中間倒角位置處發生斷裂,對該位置進行分析。采用Hyper Works軟件對球頭銷倒角斷裂位置附近進行高階六面體網格劃分,網格大小為0.3 mm;其余部分采用高階四面體網格劃分,網格大小為1 mm,劃分后的有限元網格模型如圖5所示。設置球頭銷的材料為42Cr Mo鋼,彈性模量為212 GPa,泊松比為0.28。

圖5 球頭銷的有限元網格模型

對于穩定桿連接桿結構,桿部兩端連接球頭銷,球頭銷下部與其他部件連接。對于球頭銷來說,穩定桿桿部相當于二力桿結構,球頭銷上部受到穩定桿軸向力的作用,下部與其他部件連接處約束,球頭銷的力學模型如圖6所示。

圖6 球頭銷的力學模型

根據上述力學模型,對球頭銷進行加載及約束。由于需要進行疲勞分析,因此沿軸向對球頭銷施加1 N的載荷(見圖7),求得該狀態下的應力。

約束位置存在應力奇異的現象,且重點關注球頭銷上半部發生斷裂的位置,計算出上半部球頭銷單位載荷下的應力云圖(見圖8)。

圖8 球頭銷單位載荷下的應力云圖

2.2 疲勞有限元分析

采用nCode Design Life軟件對穩定桿連接桿球頭銷的疲勞損傷進行分析。疲勞損傷計算載荷譜(見圖9)主要有5種工況,5種工況均為正負兩個方向的交變載荷,且每種工況對應一定的循環次數(見表2),結合單位載荷下的應力結果以及球頭銷材料的應力-壽命曲線,對疲勞損傷進行迭代累積計算。

表2 載荷譜循環次數

斷裂球頭銷的硬度為241 HV,正常球頭銷的硬度為337 HV。按照GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》進行換算,斷裂球頭銷所用材料的強度約為790 MPa,正常球頭銷所用材料的強度約為1 080 MPa,通過強度擬合的應力-壽命曲線如圖10所示。

圖10 應力-壽命曲線

采用Goodman平均應力修正法進行疲勞損傷計算,用臨界平面法進行應力組合,存活率設置為50%,計算得到的壽命分布云圖如圖11所示。

圖11 斷裂球頭銷和正常球頭銷的壽命分布云圖

穩定桿連接桿球頭銷的設計壽命需大于1,根據上述球頭銷的壽命分布云圖,對其進行設計壽命校核,結果如表3所示。

表3 球頭銷的壽命校核結果 %

3 綜合分析

理化檢驗結果表明,斷裂球頭銷的化學成分滿足技術要求。斷裂球頭銷的顯微組織為珠光體與鐵素體,而球頭銷經調質熱處理后應為回火索氏體,故其顯微組織不滿足要求。該球頭銷硬度比正常球頭銷的硬度低,球頭銷的斷裂性質為雙向彎曲疲勞斷裂。

對正常球頭銷進行疲勞設計壽命校核,其最短壽命高于評價標準要求,表明球頭銷的設計強度滿足要求;對斷裂球頭銷進行疲勞設計壽命校核,最短壽命低于評價標準要求,且壽命最短的點與球頭銷斷裂的位置基本保持一致。同時,球頭銷在上述工況下受到兩個方向的力,結合球頭銷的斷裂性質可知,該球頭銷裝配正常。從而得出:斷裂球頭銷未經過調質熱處理,材料硬度及強度均低于正常球頭銷,在交變載荷的作用下,材料發生了雙向彎曲疲勞斷裂。

4 結論和建議

(1)該穩定桿連接桿球頭銷的斷裂性質為雙向彎曲疲勞斷裂,而球頭銷未經過調質熱處理,導致所用材料硬度與強度的降低,這是球頭銷斷裂的主要原因。

(2)建議嚴格執行球頭銷的生產加工工藝,對其進行調質熱處理,保證球頭銷所用材料具有足夠的強度。