客車橋獨(dú)立懸架的失效分析與改進(jìn)

田婧 王歡銳 程遙 劉娟娟 韓冬

摘 要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對于汽車駕乘舒適性的要求越來越高，汽車底盤的斷開式獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。文章通過對某客車橋開發(fā)階段疲勞試驗(yàn)后的獨(dú)立懸架雙A型支撐壁的失效分析，發(fā)現(xiàn)支撐壁疲勞源處4-7mm的大鑄造夾渣是導(dǎo)致其失效的主要原因，同時(shí)，C、Al元素含量偏高，基體鑄造縮松較多、設(shè)計(jì)硬度偏高、應(yīng)力較大均加速了支撐壁的疲勞失效進(jìn)程。最終，通過調(diào)整支撐壁化學(xué)成分、鑄造時(shí)增加陶瓷過濾塊擋渣、控制澆注溫度減少縮松、降低硬度提高韌性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低應(yīng)力等措施，支撐壁壽命滿足要求。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立懸架;支撐臂;斷口

中圖分類號(hào)：U463.33? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-76-04

Failure Analysis and Improvement of Independent Suspension of Bus Bridge

Tian Jing， Wang Huanrui， Cheng Yao， Liu Juanjuan， Han Dong

（Shannxi Hande axle Co. Ltd.， Technical Center， Shannxi Xian 710201）

Abstract： With the development of automobile industry， peoples demand for car ride comfort is getting higher and higher， and the design of the disconnected independent suspension structure of the automobile chassis has emerged. In this paper， through the failure analysis of the independent suspension double A-type support arm after the fatigue test of a bus bridge development stage， it is found that the large casting slag of 4-7mm at the source of fatigue of the support arm is the main cause of its failure， while the C and Al elements are high in content， the design is high hardness. The stress is high and the fatigue failure process of the support arm is accelerated. Finally， the life of the support arm meets the requirements by adjusting the chemical composition of the support arm， increasing the ceramic filter block slag during casting， controlling the pouring temperature to reduce the shrinking， reducing hardness to improve toughness， and optimizing the structure to reduce stress.

Keywords： Independent suspension; Support arm; Fracture

CLC NO.： U463.33? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-76-04

前言

懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，其系統(tǒng)性能會(huì)直接影響到汽車的可靠性、穩(wěn)定性、平順性及舒適性等，現(xiàn)代汽車企業(yè)均投入較多的人力和財(cái)力去改善懸架系統(tǒng)的性能。獨(dú)立懸架因車橋的斷開式設(shè)計(jì)，即單側(cè)車輪均單獨(dú)懸掛在車架或車身上，可以有效緩和地面對車身的沖擊，同時(shí)可以降低整橋重量、提高車輪的地面附著力，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置，使整車質(zhì)心高度下降，顯著改善汽車的行駛平順性。因此獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代汽車之上。[1-2]

雙橫臂獨(dú)立懸架又稱雙A臂式獨(dú)立懸架，擁有兩個(gè)交叉臂同時(shí)用來吸收橫向力，支柱只承載車身重量。上下兩個(gè)A字臂結(jié)構(gòu)可以精確定位前輪的各種參數(shù)，當(dāng)前輪轉(zhuǎn)彎時(shí)，該結(jié)構(gòu)能減小轉(zhuǎn)彎側(cè)傾。[3]雙橫臂獨(dú)立懸架通常采用上下不等長叉臂（上短下長），讓車輪在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)能自動(dòng)改變外傾角并且減少因輪距變化導(dǎo)致的輪胎磨損，提高汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，延長輪胎使用壽命，且能自適應(yīng)路面。[4]故我公司設(shè)計(jì)開發(fā)該類型獨(dú)立懸架支撐臂進(jìn)行疲勞臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)概況及故障描述

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)按照《QC/T 513-1999 汽車前軸臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)方法》進(jìn)行垂直彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷：7噸，加載倍數(shù)：3倍。正式試驗(yàn)時(shí)固定上下A型臂，裝配轉(zhuǎn)向節(jié)，支撐臂及梯形臂，以總成形式進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。共進(jìn)行兩根試驗(yàn)，其疲勞壽命分別為27.7萬次、22.18萬次，按照《QC/T 483-1999汽車前軸疲勞壽命限值》要求的B5不小于30萬次和B50不小于70萬次的雙判定標(biāo)準(zhǔn)，本輪支撐壁疲勞臺(tái)架試驗(yàn)壽命不滿足技術(shù)要求。

圖1為支撐臂總成疲勞臺(tái)架試驗(yàn)安裝方式。

1.2 失效概況

試驗(yàn)支撐臂斷裂位置基本一致，均位于支撐臂中段，斷裂位置距離減震器安裝孔約50mm，起裂源位于支撐臂外側(cè)表面，如圖2。

2 原因分析

2.1 斷口形貌分析及能譜分析

宏觀形貌可以看出其中斷口裂源位于支撐臂直邊側(cè)的表面一處黑色異物處，起裂源附近斷口光滑，瞬斷區(qū)較粗糙，如圖3。另一樣品斷口裂源同樣位于表面黑色異物處，斷面呈現(xiàn)為灰色光滑石狀斷口[5]，如圖4。

用掃描電鏡對斷口進(jìn)行微觀形貌分析，斷口夾渣尺寸分布為7.8×3.13mm，背散射電子相顯示裂源處黑色異物的成分與周邊不一致，X射線能譜分析其化學(xué)成分為O、Al含量較高的夾渣，如圖5、圖7。對擴(kuò)展區(qū)斷口形貌進(jìn)行觀察，斷口呈循環(huán)載荷造成的疲勞條帶特征，可以判定該支撐臂為疲勞斷裂，[6-7]如圖6。

斷口瞬斷區(qū)存在較多的鑄造縮松，晶粒呈卵形，存在疏松孔洞，內(nèi)壁光滑，如圖8。支撐臂石狀斷口表面分布有多個(gè)顆粒狀異物，X射線能譜分析為MnS夾雜，說明鑄造工藝中凝固速率過慢，局部材料溫度過高引起MnS夾雜以顆粒形狀析出，分布在斷口表面，說明存在局部過熱現(xiàn)象。[8-9]如圖9、10。

2.2 化學(xué)成分分析

對斷裂支撐臂取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表1，可以看出支撐臂基體C、Al含量偏高，不滿足圖紙要求的ZG42CrMo材質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，石狀斷口的出現(xiàn)不僅與鑄造過程的過熱有關(guān)系，還與材料中的Al含量有重要關(guān)系（一般Al≥0.08時(shí)，極易出現(xiàn)石狀斷口）。

由于鋁的脫氧效果好，鑄鋼廠為確保鑄件不出氣孔，加入了過量的Al元素，會(huì)形成氮化鋁并析出于晶界上，導(dǎo)致Ak值嚴(yán)重下降，出現(xiàn)了石狀斷口，尤其對于抗拉強(qiáng)度>500MPa的鋼種更易出現(xiàn)這個(gè)問題。

2.3 金相組織及硬度分析

材料硬度實(shí)測值滿足圖紙技術(shù)要求，見表2。

2.4 顯微組織分析

對支撐臂進(jìn)行顯微組織分析，用4%的硝酸酒精腐蝕后表面出現(xiàn)粗大的鑄態(tài)樹枝晶殘留，越靠近裂源處枝晶相對越細(xì)小，瞬斷區(qū)樹枝晶相對較粗大，鑄態(tài)樹枝晶的存在促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展斷裂，如圖11：

2.5 鑄件結(jié)構(gòu)分析

支撐臂不同位置的壁厚變化相差懸殊，薄壁處，即起裂源處，尤其紅色圈所標(biāo)記位置，為澆注死角，易產(chǎn)生夾渣缺陷、形成疲勞起裂源;厚壁處由于冷卻速率相對較慢，易產(chǎn)生疏松、冷隔等鑄造缺陷，具體位置見圖12。

2.6 其他方面分析

因?yàn)橹伪蹫樾庐a(chǎn)品開發(fā)零件，生產(chǎn)廠家的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)制定不合理，且鑄造、熱處理熱處理工藝還不成熟，無損探傷僅對表面缺陷進(jìn)行識(shí)別，對內(nèi)部缺陷未做過相關(guān)檢測，導(dǎo)致該產(chǎn)品入庫，進(jìn)入試驗(yàn)階段。

3 失效原因

（1）材質(zhì)及熱處理方面：支撐臂起裂源位于表面的氧化物夾渣處;氧化物夾渣及基體成分中C、Al含量偏高（表現(xiàn)為晶粒粗大使材料脆性增大，強(qiáng)度下降）是導(dǎo)致支撐臂斷裂的主要原因。支撐臂斷口存在鑄造縮松，且枝晶較發(fā)達(dá)，降低了材料的強(qiáng)韌性，促進(jìn)了懸架的開裂。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：支撐臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，澆注時(shí)局部熱應(yīng)力大，使支撐臂背部中段薄弱，從而起裂。

（3）過程控制方面：生產(chǎn)廠家未進(jìn)行鑄件內(nèi)部質(zhì)量檢測，導(dǎo)致產(chǎn)品流入。

4 改進(jìn)方案

（1）嚴(yán)格控制爐料的清潔度和配料比，防止在熔煉過程中帶入其他有害金屬。在熔煉過程中，加入適量的溶劑，使金屬液中的夾雜物和有害元素等雜質(zhì)容易生成熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、密度與金屬液相差較大的熔渣，與金屬液分離。對金屬液進(jìn)行充分的精煉去除金屬液中的夾雜物。對鑄鋼熔煉應(yīng)進(jìn)行充分的脫氧和脫硫處理，但要保證C、Al含量滿足JB/T6402的成分要求。

（2）通過設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，在澆注系統(tǒng)中加設(shè)擋渣裝置，如過濾網(wǎng)、集渣包等。澆注前，可靜置金屬液，澆注中，要有擋渣措施，澆注速度不宜太快，同時(shí)控制澆注溫度及澆注時(shí)間，可通過添加稀土元素、提高凝固速率等措施，減少支撐臂基體鑄造縮松缺陷，保證強(qiáng)韌性。

（3）加壓補(bǔ)縮的措施。顯微縮松易產(chǎn)生在枝晶與枝晶之間，孔洞細(xì)小彎曲，彌散分布于鑄件整個(gè)斷面上，一般的工藝措施很難消除，應(yīng)用加壓法可消除或減輕顯微縮松。[10]

（4）適當(dāng)降低支撐臂的熱處理硬度（建議28-34HRC），并保證材料延伸率不小于13.5%，提高其韌性及疲勞壽命。

（5）對支撐臂減重槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、改進(jìn)（將減重槽兩側(cè)更改過渡平緩、取消減重槽或增大過渡圓角等），以降低局部熱應(yīng)力，降低鑄造難度，提高鑄件質(zhì)量。

（6）生產(chǎn)廠家制定內(nèi)部控制規(guī)范，對產(chǎn)品100%進(jìn)行無損探傷，建議按照GB/T5677《鑄鋼件射線照相檢測》進(jìn)行檢測，對鑄件表面及內(nèi)部缺陷嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

后續(xù)：經(jīng)上述改進(jìn)，調(diào)整臂成功通過臺(tái)架試驗(yàn)，目前已投入市場開始使用。

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