后前束連桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)

戴聲良 楊麗群

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心；2.安徵交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

雙連桿獨(dú)立懸架，實(shí)際上可以稱為三連桿，包括2 根橫向拉桿和1 根縱向推力桿，在各類車型上都有運(yùn)用[1]。后前束連桿不僅要實(shí)現(xiàn)前束可調(diào)節(jié)功能，同時(shí)也是重要的安全件，如果發(fā)生彎曲或者斷裂，后輪將產(chǎn)生擺動，極端情況下，將使駕駛員失去對車輛方向的控制，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生，所以其設(shè)計(jì)強(qiáng)度儲備安全系數(shù)要足夠高，保證不發(fā)生斷裂[2]。

1 故障現(xiàn)象與原因分析

某雙連桿后懸架中有1 根前束連桿，中間連接有1 個(gè)雙頭螺栓，兩邊各有1 個(gè)鎖緊螺母連接到兩段主桿。該前束連桿在可靠性試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)后橫拉桿中間雙頭螺栓彎曲疲勞斷裂的故障，如圖1 所示，從圖1 中可以看出，斷裂部位于雙頭螺栓中間六角的螺紋根部，同時(shí)雙頭螺栓已呈彎曲狀態(tài)，是典型的強(qiáng)度不足造成的疲勞彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致斷裂。

1.1 成分對比化驗(yàn)

斷裂的雙頭螺栓，材料為45#鋼調(diào)質(zhì)熱處理，硬度HRC24，機(jī)械等級8.8 級，抗拉力110 kN，抗拉強(qiáng)度900 MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa，符合現(xiàn)有設(shè)計(jì)要求。對同樣采用類似設(shè)計(jì)的雙頭螺栓KD件，進(jìn)行材質(zhì)化驗(yàn)和硬度檢測，通過化學(xué)元素的含量比例推測，KD件的雙頭螺栓材料應(yīng)該為42CrMo，只是C 略偏低為0.366%，略小于42CrMo 的0.38%～0.45%，但其它成分均符合42CrMo 的相應(yīng)成分。屈服強(qiáng)度為930 MPa，平均硬度HRC34.5，螺栓機(jī)械等級應(yīng)該是10.9 級，材料成分及硬度檢測結(jié)果，如表1 所示。

表1 雙頭螺栓KD件成分化驗(yàn)與硬度檢測結(jié)果

1.2 前束連桿總成壓縮失穩(wěn)計(jì)算

對于細(xì)長軸，可以通過壓縮失穩(wěn)載荷計(jì)算[3-5]，來校核其強(qiáng)度，計(jì)算滿足歐拉公式：

式中：Pcr——壓縮失穩(wěn)載荷，N；

E——彈性模量，Pa;

l——長度，m；

I——慣性積，m4。

對于該橫拉桿，取其彈性模量E=200 GPa，桿長l=556.5 mm。雙頭螺栓的外螺紋規(guī)格為M14×1.5，兩端主桿外直徑為22 mm，內(nèi)直徑為12 mm，可以將螺紋部分視為光桿，取其直徑為d=13.835 mm，那么代入數(shù)值計(jì)算可得：

由上述計(jì)算可知，實(shí)際此前束連桿的壓縮失穩(wěn)載荷應(yīng)在11.5～66.9 kN 之間。

1.3 前束連桿總成壓縮測試

雖然中間螺栓分別為45#鋼和42CrMo，但同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由上面的計(jì)算可知，桿子的抗屈曲能力，也就是壓縮失穩(wěn)載荷力大小應(yīng)相當(dāng)。在試驗(yàn)室中，取2 根現(xiàn)有件和1 只KD件分別做緩慢加載壓縮試驗(yàn)，將后前束連桿一端固定，一端加載，直到桿子彎曲失穩(wěn)，計(jì)錄其彎曲力值大小，加載速率為1 mm/min，結(jié)果為：現(xiàn)有件1#壓縮力為28.0 kN 時(shí)，現(xiàn)有件2#壓縮力為25.5 kN時(shí)，及KD件在壓縮力27.0 kN 時(shí)，3 種狀態(tài)下的破損狀態(tài)均為中間連接桿螺紋處彎曲。即，現(xiàn)有件平均為26 kN 左右失穩(wěn)與KD 原件在27 kN 下失穩(wěn)相當(dāng)。

1.4 前束連桿壓縮彎曲后的疲勞試驗(yàn)

對壓彎后的件做疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：沿桿子軸向加載力：±5 500 N，加載頻率：5 Hz。主要模擬桿子在先彎曲的情況下，到完全斷裂的壽命是多長。結(jié)果現(xiàn)有件做疲勞試驗(yàn)次數(shù)10 360 次，同等條件下KD件10 628 次，如圖2，3 所示。斷口位置及斷面也非常相似和接近，由此可得出，一旦桿子受軸向力或彎矩彎曲后，很快在軸向力的繼續(xù)作用下疲勞斷裂。所以強(qiáng)度設(shè)計(jì)的前提是，大幅度提高桿子壓縮失穩(wěn)的載荷，這樣才能提高其疲勞性能。

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

由工程力學(xué)知識可知，提高桿子的抗彎曲能力，必須要盡量提高桿子的截面系數(shù)[6-7]。避免在一根桿子中間出現(xiàn)截面或者直徑變化過于突然的結(jié)構(gòu)，存在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中并成為強(qiáng)度最薄弱的環(huán)節(jié)[8]。在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮整根桿子的直徑過渡平順，不出現(xiàn)突變。在調(diào)研類似后前束連桿的設(shè)計(jì)，提出將原雙頭螺栓結(jié)構(gòu)改為外六角形結(jié)構(gòu)，目的是方便調(diào)整前束，兩端加工內(nèi)螺紋的空心套管用于連接兩端的主桿。此結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)是桿子整體剛性變強(qiáng)，抗彎和抗屈曲能力有大幅度提升，其結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

2.2 CAE強(qiáng)度對比分析

選取整車最惡劣的受力工況，此工況為在桿子端部加彎矩150 N·m。在相同工況下通過CAE 分析改進(jìn)前后的應(yīng)力值。原設(shè)計(jì)狀態(tài)的應(yīng)力結(jié)果，如圖5 所示，最大應(yīng)力處在雙頭螺栓處達(dá)到540 MPa，此應(yīng)力遠(yuǎn)大于45#的屈服應(yīng)力；而優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在相同的工況下受力比原設(shè)計(jì)狀態(tài)要小很多，只有160 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主桿子的表面，如圖6 所示，小于20#鋼的屈服極限245 MPa。所以通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，桿子（材料20#鋼）的受力變小很多，可見中間六角套管的結(jié)構(gòu)改進(jìn)是合理的，效果也很明顯。

3 改進(jìn)實(shí)施

將不同的材料及熱處理方式，以及中間的不同長度的中接六角連桿短桿長80 mm，長六角連桿長度為120 mm，組合成不同的連桿總成，進(jìn)行屈曲能力對比測試，測試結(jié)果，如表2 所示。圖7 示出不同組合后的前束拉桿壓彎情況對比。

表2 不同組合的前束拉桿壓彎力值 kN

從力值與穩(wěn)定性來看當(dāng)兩端主桿子為20＃鋼去應(yīng)力退火時(shí)，壓縮屈曲能力較之前提升了近1 倍；當(dāng)主桿子為冷拔管時(shí)，其壓縮彎曲力值相對較小，且短調(diào)節(jié)管時(shí)力值不穩(wěn)定。去應(yīng)力退火又稱低溫退火，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，這種退火主要用來消除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件及冷拉件等的殘余應(yīng)力，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，如強(qiáng)度、韌性和疲勞性能[9]。先確定主桿為去應(yīng)力退火狀態(tài)，再進(jìn)行詳細(xì)的質(zhì)量和尺寸對比，最后確定最終改進(jìn)方案。

3.1 尺寸與質(zhì)量對比

主桿采用去應(yīng)力退火熱處理方式，總成結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8 所示，各部分具體尺寸，如表3 所示。

表3 2種改進(jìn)方案與現(xiàn)狀態(tài)尺寸對比表

從圖8 可以看到，改進(jìn)方案中的主桿由原來的φ22×5.0，變?yōu)棣?9×4.5，材料仍然為20#鋼，但原來為冷拔管，改進(jìn)方案為冷拔管去應(yīng)力退火。量產(chǎn)件與2種改進(jìn)方案進(jìn)行質(zhì)量對比，如表4 所示，改進(jìn)方案1 為短中間連桿80 mm，方案2 為長中間連桿120 mm，質(zhì)量最輕的為方案1。

表4 2種改進(jìn)方案與現(xiàn)狀態(tài)質(zhì)量對比kg

3.2 裝車驗(yàn)證前束調(diào)整

將新改進(jìn)的桿子，裝車驗(yàn)證，因中間外六角套管長度為80 mm，后輪前束可較容易地調(diào)整至設(shè)計(jì)值（12±7.5）'，2 個(gè)鎖緊螺母一個(gè)白色左旋螺紋，一個(gè)黃色右旋螺紋擰緊力矩均為（90±5）N·m，以表面鍍黃鋅和白鋅區(qū)別開來。桿子與后副車架距離也較合理，空載狀態(tài)下在25 mm，如圖9 所示。經(jīng)整車可靠性試驗(yàn)3 萬km 綜合路試驗(yàn)后，再無彎曲與斷裂的故障現(xiàn)象出現(xiàn)，說明改進(jìn)后的后前束拉桿強(qiáng)度可靠，安全系數(shù)高。

4 結(jié)論

后前束連桿主要是抗彎曲能力弱和強(qiáng)度安全系數(shù)不高，導(dǎo)致側(cè)向受力時(shí)彎曲，進(jìn)而疲勞斷裂。通過多方案對比，當(dāng)主桿為去應(yīng)力退火，中間連桿長度為80 mm的六角調(diào)節(jié)管的改進(jìn)方案，質(zhì)量最輕，強(qiáng)度最高，屈曲能力達(dá)52 kN 左右，約為目前力值的2 倍，剛性強(qiáng)度得到大幅提高。改進(jìn)后的桿子與周邊間隙合理，前束調(diào)整的方便性也大大提高。改進(jìn)后可有效解決后前束拉桿斷裂及彎曲現(xiàn)象的發(fā)生。