客车桥独立悬架的失效分析与改进

田婧 王欢锐 程遥 刘娟娟 韩冬

摘 要：随着汽车工业的发展，人们对于汽车驾乘舒适性的要求越来越高，汽车底盘的断开式独立悬架结构设计应运而生。文章通过对某客车桥开发阶段疲劳试验后的独立悬架双A型支撑壁的失效分析，发现支撑壁疲劳源处4-7mm的大铸造夹渣是导致其失效的主要原因，同时，C、Al元素含量偏高，基体铸造缩松较多、设计硬度偏高、应力较大均加速了支撑壁的疲劳失效进程。最终，通过调整支撑壁化学成分、铸造时增加陶瓷过滤块挡渣、控制浇注温度减少缩松、降低硬度提高韧性、结构优化降低应力等措施，支撑壁寿命满足要求。

关键词：独立悬架;支撑臂;断口

中图分类号：U463.33  文献标识码：A  文章编号：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

懸架系统是汽车的重要组成部分，其系统性能会直接影响到汽车的可靠性、稳定性、平顺性及舒适性等，现代汽车企业均投入较多的人力和财力去改善悬架系统的性能。独立悬架因车桥的断开式设计，即单侧车轮均单独悬挂在车架或车身上，可以有效缓和地面对车身的冲击，同时可以降低整桥重量、提高车轮的地面附着力，降低发动机的安装位置，使整车质心高度下降，显著改善汽车的行驶平顺性。因此独立悬架设计被广泛地应用于现代汽车之上。[1-2]

双横臂独立悬架又称双A臂式独立悬架，拥有两个交叉臂同时用来吸收横向力，支柱只承载车身重量。上下两个A字臂结构可以精确定位前轮的各种参数，当前轮转弯时，该结构能减小转弯侧倾。[3]双横臂独立悬架通常采用上下不等长叉臂（上短下长），让车轮在上下运动时能自动改变外倾角并且减少因轮距变化导致的轮胎磨损，提高汽车的操纵稳定性和行驶平顺性，延长轮胎使用寿命，且能自适应路面。[4]故我公司设计开发该类型独立悬架支撑臂进行疲劳台架试验验证。

1 试验概况及故障描述

1.1 试验概况

试验按照《QC/T 513-1999 汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》进行垂直弯曲疲劳试验，试验载荷：7吨，加载倍数：3倍。正式试验时固定上下A型臂，装配转向节，支撑臂及梯形臂，以总成形式进行台架试验。共进行两根试验，其疲劳寿命分别为27.7万次、22.18万次，按照《QC/T 483-1999汽车前轴疲劳寿命限值》要求的B5不小于30万次和B50不小于70万次的双判定标准，本轮支撑壁疲劳台架试验寿命不满足技术要求。

图1为支撑臂总成疲劳台架试验安装方式。

1.2 失效概况

试验支撑臂断裂位置基本一致，均位于支撑臂中段，断裂位置距离减震器安装孔约50mm，起裂源位于支撑臂外侧表面，如图2。

2 原因分析

2.1 断口形貌分析及能谱分析

宏观形貌可以看出其中断口裂源位于支撑臂直边侧的表面一处黑色异物处，起裂源附近断口光滑，瞬断区较粗糙，如图3。另一样品断口裂源同样位于表面黑色异物处，断面呈现为灰色光滑石状断口[5]，如图4。

用扫描电镜对断口进行微观形貌分析，断口夹渣尺寸分布为7.8×3.13mm，背散射电子相显示裂源处黑色异物的成分与周边不一致，X射线能谱分析其化学成分为O、Al含量较高的夹渣，如图5、图7。对扩展区断口形貌进行观察，断口呈循环载荷造成的疲劳条带特征，可以判定该支撑臂为疲劳断裂，[6-7]如图6。

断口瞬断区存在较多的铸造缩松，晶粒呈卵形，存在疏松孔洞，内壁光滑，如图8。支撑臂石状断口表面分布有多个颗粒状异物，X射线能谱分析为MnS夹杂，说明铸造工艺中凝固速率过慢，局部材料温度过高引起MnS夹杂以颗粒形状析出，分布在断口表面，说明存在局部过热现象。[8-9]如图9、10。

2.2 化学成分分析

对断裂支撑臂取样进行化学成分分析，检测结果见表1，可以看出支撑臂基体C、Al含量偏高，不满足图纸要求的ZG42CrMo材质。研究发现，石状断口的出现不仅与铸造过程的过热有关系，还与材料中的Al含量有重要关系（一般Al≥0.08时，极易出现石状断口）。

由于铝的脱氧效果好，铸钢厂为确保铸件不出气孔，加入了过量的Al元素，会形成氮化铝并析出于晶界上，导致Ak值严重下降，出现了石状断口，尤其对于抗拉强度>500MPa的钢种更易出现这个问题。

2.3 金相组织及硬度分析

材料硬度实测值满足图纸技术要求，见表2。

2.4 显微组织分析

对支撑臂进行显微组织分析，用4%的硝酸酒精腐蚀后表面出现粗大的铸态树枝晶残留，越靠近裂源处枝晶相对越细小，瞬断区树枝晶相对较粗大，铸态树枝晶的存在促进了裂纹的扩展断裂，如图11：

2.5 铸件结构分析

支撑臂不同位置的壁厚变化相差悬殊，薄壁处，即起裂源处，尤其红色圈所标记位置，为浇注死角，易产生夹渣缺陷、形成疲劳起裂源;厚壁处由于冷却速率相对较慢，易产生疏松、冷隔等铸造缺陷，具体位置见图12。

2.6 其他方面分析

因为支撑臂为新产品开发零件，生产厂家的内控标准制定不合理，且铸造、热处理热处理工艺还不成熟，无损探伤仅对表面缺陷进行识别，对内部缺陷未做过相关检测，导致该产品入库，进入试验阶段。

3 失效原因

（1）材质及热处理方面：支撑臂起裂源位于表面的氧化物夹渣处;氧化物夹渣及基体成分中C、Al含量偏高（表现为晶粒粗大使材料脆性增大，强度下降）是导致支撑臂断裂的主要原因。支撑臂断口存在铸造缩松，且枝晶较发达，降低了材料的强韧性，促进了悬架的开裂。

（2）结构设计方面：支撑臂结构设计不合理，浇注时局部热应力大，使支撑臂背部中段薄弱，从而起裂。

（3）过程控制方面：生产厂家未进行铸件内部质量检测，导致产品流入。

4 改进方案

（1）严格控制炉料的清洁度和配料比，防止在熔炼过程中带入其他有害金属。在熔炼过程中，加入适量的溶剂，使金属液中的夹杂物和有害元素等杂质容易生成熔点低、流动性好、密度与金属液相差较大的熔渣，与金属液分离。对金属液进行充分的精炼去除金属液中的夹杂物。对铸钢熔炼应进行充分的脱氧和脱硫处理，但要保证C、Al含量满足JB/T6402的成分要求。

（2）通过设计合理的浇注系统，在浇注系统中加设挡渣装置，如过滤网、集渣包等。浇注前，可静置金属液，浇注中，要有挡渣措施，浇注速度不宜太快，同时控制浇注温度及浇注时间，可通过添加稀土元素、提高凝固速率等措施，减少支撑臂基体铸造缩松缺陷，保证强韧性。

（3）加壓补缩的措施。显微缩松易产生在枝晶与枝晶之间，孔洞细小弯曲，弥散分布于铸件整个断面上，一般的工艺措施很难消除，应用加压法可消除或减轻显微缩松。[10]

（4）适当降低支撑臂的热处理硬度（建议28-34HRC），并保证材料延伸率不小于13.5%，提高其韧性及疲劳寿命。

（5）对支撑臂减重槽结构进行分析、改进（将减重槽两侧更改过渡平缓、取消减重槽或增大过渡圆角等），以降低局部热应力，降低铸造难度，提高铸件质量。

（6）生产厂家制定内部控制规范，对产品100%进行无损探伤，建议按照GB/T5677《铸钢件射线照相检测》进行检测，对铸件表面及内部缺陷严格按标准执行。

后续：经上述改进，调整臂成功通过台架试验，目前已投入市场开始使用。

参考文献

[1] 陈家瑞，马天飞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 孙建民，孙凤英.汽车悬架系统的发展及控制技术研究现状[J].黑龙江工程学院学报，2001（1）：57-61.

[3] 闫岩，韩小雨.汽车悬架技术及发展趋势浅谈[J].工程技术，2017， 53-54.

[4] 阮五洲.基于ADAMS 悬架系统分析与优化设计[D].合肥：合肥工业大学，2008.

[5] 丁惠麟，金荣芳.机械零件缺陷、失效分析与实例[M]北京：化学工业出版社，2013.56-90.

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[7] 冯磊.轩福贞.非金属夹杂物对材料内局部应力集中的影响[J].机械工程学报，2013，49（8）：40-47.

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[11] 徐丽，刚铁，张明波，等，铸件缺陷无损检测方法的研究现状[J].铸造，2002，51（9）：535-540.