某低入口前桥用工字梁失效分析

王 川

(吉客传动科技(苏州)有限公司， 江苏 苏州 215027)

城市客车、旅游客车匹配的低入口[1]前桥，不仅要承载整车重量，还要实现车辆的转向等功能，承受制动过程中的轴荷转移。因此，其安全性要求很高，而其工字梁的垂直弯曲疲劳试验是验证其疲劳寿命的重要手段[2]。

1 失效原因及分析

某低入口客车的前桥额定载荷为7 t。用该前桥的5根工字梁进行台架试验时[3-4]，其中2根在42万次时于不同部位出现断裂，如图1所示。这2根工字梁疲劳寿命偏低，不符合QC/T 483—1999《汽车前轴疲劳寿命限值》[3]中B50寿命≥70万次的评判要求。其余3根均通过70万次疲劳试验而未发生断裂失效。

1#工字梁

2#工字梁

1.1 台架试验

根据QC/T 531—1999《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》[4]的要求，对台架试验的输入参数进行核对，均符合要求，试验如图2所示。试验的输入参数见表1。

(a)前桥疲劳测试

(b)试验正弦波载荷

表1 试验输入参数核对结果

1.2 原因分析

1) 硬度检测。工字梁热处理后表面硬度要求为250～290 HB。对断裂实验件断裂处进行硬度检测，在270～284 HB之间，均符合要求。

2) 材料的机械性能检测。对断裂部分进行取样试棒机械性能检测，结果见表2。其中抗拉强度均满足>630 MPa的要求，屈服强度均满足>370 MPa的要求，延伸率均满足>14%的要求。

表2 机械性能检测结果

3) 材料的金相检测。分别对断口处表面4 mm以下取样进行金相检测，金相组织分布如图3所示。根据GB/T 13320—2007《钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法》评定为回火索氏体+少量铁素体组织4级[5-6]，组织分布均匀，均符合要求。

1#工字梁500X倍放大图

2#工字梁500X倍放大图

4) 疲劳断口分析。对失效件的断口进行分析，断口平齐，裂纹扩展区为30%，瞬时裂纹区为70%，断裂方式为疲劳断裂，如图4所示。仔细检查发现，2根出现断裂的工字梁在断裂处均有打磨痕迹，打磨的锯齿状表面产生了应力集中，打磨处为开裂源，从而导致工字梁断裂失效。其余没有断裂的3根工字梁均没有打磨的痕迹。

1#工字梁

2#工字梁

5) 打磨原因分析。分析断裂工字梁打磨的原因，发现在工字梁磁粉探伤工序中，为了使工字梁通过磁粉探伤检测，工人对工字梁中存在折叠多、飞边大的部分锻件进行过打磨。

2 整改措施及效果验证

2.1 整改措施及试验验证

1) 整改措施。改进生产工艺，增加了对工字梁打磨后必须做喷丸处理的要求。通过喷丸去除表面残余应力，对工字梁表面植入压应力，提高疲劳强度。

2) 台架试验验证。对采取整改措施后的新工字梁随机抽样2根进行台架试验，分别通过了90万次和80万次的疲劳试验，均未发生断裂失效等。

2.2 B50及B10寿命估算

按QC/T 483—1999[3]要求，利用以上疲劳试验数据估算B50及B10寿命。具体过程如下：

汽车前后桥的疲劳试验数据一般都符合威布尔分布[7]，采用《机械设计手册》[2]中较为简便的威布尔分布矩法估方法。

式中：n=5；x1=70万次；x2=72万次；x3=75万次；x4=80万次；x5=90万次。

2) 计算测试样本标准差sx，根据公式：

带入以上数据可得：sx=4.354万次。

3) 计算测试样本偏态系数kk，根据公式：

带入以上数据可得：kk=0.871。

5) 计算相应可靠度概率的疲劳寿命Np。对上述所求得的威布尔分布函数去自然对数，得到计算公式：

式中：B50和B10对应的可靠度概率R分别为0.5、0.9，带入相应数值可得：B10对应的Np=71.976万次；B50对应的Np=76.176万次。

即该前桥工字梁均符合QC/T 483—1999[3]中B50不小于70万次和B10不小于38万次的指标要求。

3 结束语

对失效的工字梁进行材料的机械性能、金相组织、断口等检测分析，找到打磨是导致工字梁断裂失效的原因。通过增加喷丸生产工艺，从而提高了工字梁的疲劳寿命，顺利地通过试验验证，为后续工字梁的设计开发提供了参考[8-12]。