趙海

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，柳州 545007）

0 引言

懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架（或車身）與車軸（或車輪）彈性地連接起來[1]。所以，懸架系統(tǒng)必須要有良好的可靠性，來保證汽車的生命周期。下擺臂是懸架系統(tǒng)中傳力和導(dǎo)向的重要機(jī)構(gòu)，其強(qiáng)度和剛度是否合理，直接影響著懸架性能。周從源通過有限元分析，確定了前懸上擺臂原結(jié)構(gòu)失效的原因，通過優(yōu)化保證了該零件的強(qiáng)度及可靠性[2]。

1 問題現(xiàn)狀

麥弗遜式獨(dú)立懸架是汽車上常見的一種懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由減振器支柱總成、支撐桿總成、前下擺臂總成、轉(zhuǎn)向節(jié)及制動(dòng)部件總成構(gòu)成（圖1）。因其結(jié)構(gòu)簡單，占用布置空間小等特點(diǎn)，被廣泛地使用在乘用車以及輕型商用車上。某車型為成熟車型并已經(jīng)在市場使用多年，該車型采用了麥弗遜式獨(dú)立懸架，從未出現(xiàn)過支撐桿總成斷裂的情況。

圖1 某車型麥弗遜式獨(dú)立懸架模型

但近期該車型在售后市場出現(xiàn)了較多懸架支撐桿斷裂故障問題（圖2），故障的位置都是在支撐桿總成的折彎處。經(jīng)調(diào)查，問題車輛行駛路況都是較好的城市硬化道路，行駛里程基本都在1萬km 左右，行駛的時(shí)間較短，初步判斷為低周疲勞斷裂。

圖2 前懸架支撐桿斷裂故障

本文通過一個(gè)支撐桿的失效案例為研究對象，對其失效形式進(jìn)行研究分析。通過對支撐桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程控制、材料的使用以及成型熱處理工藝等進(jìn)行綜合評估分析，找出其失效的根本原因，從而給出改進(jìn)方案，以及驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性。

2 失效原因分析

對麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，可以看出該結(jié)構(gòu)后支撐桿總成的主要受力形式為，承受車輛在行駛過程中的縱向力，即在驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力的交變載荷下共同作用。由此，可以通過以下3 個(gè)方面對該支撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞斷裂的原因排查分析。

2.1 基于有限元分析進(jìn)行強(qiáng)度校核

為了驗(yàn)證原設(shè)計(jì)方案的可靠性和合理性，需要開展典型工況下的下擺臂強(qiáng)度校核分析[3-4]。根據(jù)車輛的類型和使用情況，可以通過3 種典型的極限工況確定該懸架結(jié)構(gòu)的極限受力情況。這3 種典型的極限工況為：垂直動(dòng)載；直線行駛時(shí)側(cè)向力最大；緊急制動(dòng)（前懸架）或起動(dòng)（后懸架）。

垂直力最大：垂直動(dòng)載工況對應(yīng)垂直力最大工況，即汽車通過不平路面，此時(shí)垂直力FZ最大，縱向力FX=0，側(cè)向力FY=0。動(dòng)載系數(shù)取5，則車輪接地點(diǎn)受到地面垂直力FZ=5G1（G1 為前軸單邊滿載輪荷）。

側(cè)向力最大：側(cè)向力FY最大，縱向力FX=0。最大側(cè)向載荷為FY=FZ×ψ，這里ψ 為附著系數(shù)，取0.8。

制動(dòng)力最大：制動(dòng)時(shí)的載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)取1.6，附著系數(shù)ψ 取0.8，則前懸架垂直載荷為1.6 倍前軸荷，即FZ=1.6G1，地面縱向力FX=FZ×ψ。

根據(jù)故障件的斷裂方式分析，該支撐桿主要是在制動(dòng)工況和驅(qū)動(dòng)工況下，產(chǎn)生交變載荷破壞。根據(jù)整車滿載前軸軸荷635 kg，確定該工況下的車輪接地點(diǎn)的最終載荷如下：制動(dòng)力X 向?yàn)? 491 N，側(cè)向力Y 向?yàn)? N，垂直力Z 向?yàn)? 983 N。

對支撐桿進(jìn)行有限元CAE 分析，模擬制動(dòng)過程的受力情況，分析結(jié)果如圖3。支撐桿折彎處應(yīng)力值為117.5 MPa，支撐桿材料為35 號(hào)鋼，屈服極限為315.0 MPa，強(qiáng)度極限為530.0 MPa，支撐桿的材料強(qiáng)度滿足要求，且安全系數(shù)為4.5。從CAE 分析結(jié)果得出，該支撐桿的安全系數(shù)較高。

圖3 后支撐桿故障件CAE 分析結(jié)果

為了更加充分地驗(yàn)證設(shè)計(jì)狀態(tài)，對該零件模擬實(shí)車狀態(tài)搭建試驗(yàn)臺(tái)架，通過強(qiáng)度破壞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證（圖4）。試驗(yàn)結(jié)果表明，該支撐桿的實(shí)效力為1.6×104N，是單邊輪荷的5.1 倍，強(qiáng)度安全系數(shù)較高。

圖4 后支撐桿故障件強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2 故障件斷口金相分析

考慮零件材料本身是否存在缺陷問題，以及生產(chǎn)過程中零件是否有內(nèi)部或者微裂紋的損傷，對故障件斷口用高倍電鏡進(jìn)行了系統(tǒng)檢測，分析零件失效斷口的宏觀和微觀情況。

宏觀斷口分析：斷口為疲勞斷口，斷面大部分已銹蝕，疲勞源在桿身折彎內(nèi)側(cè)表面處。斷口是先出現(xiàn)了小面積的疲勞區(qū)，然后直接脆性斷裂。斷口形貌以及啟裂源區(qū)如圖5a 所示，該區(qū)域并沒有材料缺陷和舊裂傷痕。

微觀金相組織：過啟裂區(qū)旁制樣檢測，金相組織為縱向帶狀分布的鐵素體加珠光體，帶狀2 級(jí)，帶狀分布與斷裂方向垂直，與斷裂不相關(guān)（圖5b 和圖5c）。

圖5 斷口金相組織檢測

2.3 零件實(shí)物狀態(tài)分析

通過對故障零件的實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行排查分析，發(fā)現(xiàn)所有的支撐桿總成斷裂故障件，都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是零件的折彎處內(nèi)側(cè)都有折痕，且全部斷裂在折痕位置（圖6）。

圖6 故障零件折彎處有折痕

2.4 失效原因分析結(jié)論

從以上3 個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，得出以下結(jié)論。

（1）CAE 分析結(jié)果和臺(tái)架強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，零件的設(shè)計(jì)狀態(tài)能夠滿足使用要求。

（2）金相分析結(jié)果表明：斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，疲勞源位置沒有材料缺陷和舊裂痕跡。

（3）該零件的故障主要是零件在生產(chǎn)過程中沒有得到有效的控制，成型過程中出現(xiàn)折痕，從而引起應(yīng)力集中；而且零件成型后沒有進(jìn)行熱處理消除預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致低周疲勞斷裂。

3 改進(jìn)方案

通過對零件的數(shù)模和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行尺寸校核分析（圖7），主要對斷裂折彎處進(jìn)行工藝分析評估。支撐桿的直徑為22 mm，折彎處的夾角為125.6°，中心圓弧半徑為R40 mm，內(nèi)側(cè)半徑為R29 mm，圓弧內(nèi)側(cè)半徑與桿徑的比值僅為1.3，比值過小。如果生產(chǎn)過程中控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致在折彎成型生產(chǎn)過程中產(chǎn)生折痕缺陷。

圖7 零件設(shè)計(jì)尺寸

通過以上分析，對支撐桿折彎處進(jìn)行改進(jìn)：增加折彎過度，圓弧半徑由原來的R40 mm 更改為R80 mm，圓弧內(nèi)側(cè)半徑與桿徑的比值為3.1。再次進(jìn)行CAE 分析校核，故障位置的應(yīng)力為84.3 MPa，較原來狀態(tài)應(yīng)力降低了28.2%。這就有效改善了該位置的應(yīng)力情況，減小了應(yīng)力值并降低了應(yīng)力集中度，同時(shí)也改善了零件的工藝性。

同時(shí)考慮到生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性，也調(diào)整了該零件的折彎成型工藝。生產(chǎn)工藝由原來使用的彎管工藝，更改為借助模具沖壓的成型工藝，減少彎管成型過程中對折彎處的損害，使得成型過渡得更加平順。材料由35 號(hào)鋼更改為40Cr 鋼，升級(jí)了材料的機(jī)械性能。同時(shí)，增加了調(diào)質(zhì)熱處理工藝，消除成型過程中的預(yù)應(yīng)力，提升零件的綜合機(jī)械性能。

4 改進(jìn)方案的驗(yàn)證

4.1 生產(chǎn)驗(yàn)證

增大支撐桿折彎處過度圓弧半徑后，進(jìn)行多輪的生產(chǎn)驗(yàn)證。該位置的成型情況和過度都有明顯提升，且過度順暢，表面光滑，沒有出現(xiàn)折痕等缺陷，說明產(chǎn)品的成型性得到了很好的改善。

4.2 路式驗(yàn)證

支撐桿折彎處增大過度圓弧半徑后，重新進(jìn)行裝車路試，經(jīng)過2 萬km 的強(qiáng)化路面驗(yàn)證后，均未出現(xiàn)支撐桿斷裂的問題，零件的耐久疲勞問題得到了很好的驗(yàn)證解決。

5 結(jié)束語

文章通過對售后故障件的系統(tǒng)分析，找出了原來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足，以及工藝考慮的不充分，實(shí)際理論分析對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過設(shè)計(jì)的手段改善零件的工藝成型性，并通過了實(shí)車路試驗(yàn)證，保證了該零件的可靠性和工藝性，為后續(xù)遇到同類型的零件設(shè)計(jì)提供一種案例參考和設(shè)計(jì)參考。