拖车钩强韧性的技术提升研究

张延京，李俊英

拖车钩强韧性的技术提升研究

张延京1，李俊英2

（1.陕西风润智能制造研究院有限公司，陕西 西安 712000；2.比亚迪汽车有限公司，陕西 西安 710100）

针对现役某车辆拖车钩存在强韧性不足导致拖车钩牵引拉脱的问题，通过优化拖车钩结构和材料两方面增加拖车钩自身及连接部位的强韧性。采用有限元软件HyperWorks对拖车钩施加不同工况载荷进行模拟验证，对载荷卸载后的拖车钩残余变形量进行分析，分析表明，优化后的拖车钩较原状态的残余变形量降低，拖车钩的屈服强度有所提升，采用热处理方式可提升拖车钩用40CrMo钢材料的冲击韧性。研究了淬火后回火保温时间对40CrMo钢组织性能的影响，试验结果表明，热处理工艺为790 ℃淬火+560 ℃回火，材料的冲击韧性随着回火保温时间的延长而提升。

拖车钩；有限元；屈服强度；回火保温时间；冲击吸收功

拖车钩是牵引车辆时的主要承载及安全保护装置。拖车钩工作中既承受拉力又承受压力，其断裂不仅会引起车身零件损坏，而且对人身安全造成直接或间接伤害[1]。根据拖钩安装方式不同，可分为拧紧式结构和焊接式结构[2]。拧紧式结构一般布置在纵梁侧，安装在防撞梁上；焊接式结构布置形式多样，可焊接在纵梁侧、副车架上或者后地板底部。图1为安装在防撞梁上的拧紧式拖车钩结构和安装在后纵梁上的焊接式拖钩结构。

图1 拧紧式与焊接式拖车钩结构示意

汽车设计开发过程中，主要借助计算机辅助工程（Computer Aided Engineering, CAE）有限元方法，对拖车钩的材料选择、结构设计、安装方式等进行刚强度方面的有限元模拟分析。而采用热处理手段也可以通过改变拖车钩材料微观组织结构达到改善拖车钩宏观的强度、硬度和韧性从而延长零件的使用寿命[3]。通过热处理方式可以缩小微观晶粒尺寸及增加韧性，从而提升材料的力学性能[4]。本文通过优化拖车钩结构和拖车钩材料两方面提升拖车钩自身及连接部位的强韧性。采用有限元软件HyperWorks对拖车钩施加不同工况载荷进行模拟验证，对载荷卸载后的拖车钩残余变形量进行分析，通过分析结果优化拖车钩结构，达到提升拖车钩结构强度的目的。采用热处理手段，通过改变拖车钩用40CrMo材料的微观组织达到提升拖车钩冲击韧性的目的[5-6]。

1 结构设计优化结合有限元方法提升拖车钩强度

本文以现役拖车钩方案为基础，通过对标标杆车型，设计优化拖车钩系统的三维数据，再导入HyperWorks软件中进行强度有限元分析，采用有限元手段分析优化结构与原结构的强度差异。

1.1 拖车钩优化结构三维模型建立

在原结构拖车钩方案的基础上，在拖车钩尾部增加一个U型焊接加强件，该加强件与车架前端采用二氧化碳保护焊形式连接，如图2所示，同时将拖车钩现用材料45钢更改为40CrMo。

图2 原拖车钩与优化方案对比

1.2 拖车钩系统材料属性

拖车钩及加强板的材料信息如表1所示。

1.3 拖车钩系统有限元模型建立

有限元模型描述如下：

模型中的拖车钩本体及焊缝采用solid单元，钣金组件采用shell单元，网格尺寸大小设为4 mm，如图3所示。

拖钩强度分析计算边界条件设定：

施加固定约束：按照图3所示的有限元模型对车身截断处进行全约束；

拖车钩工况加载：根据GB 32087－2015要求，过拖钩中心位置且平行于车辆纵向垂直面的水平线，沿垂直方向5°、水平方向25°分别施加拉伸和压缩的静载荷，加载示意如图4所示。牵引装置能承受的静载荷按式=0.5计算，其中取整车满载质量（此处=3 495 kg）。

表1 拖车钩及加强板材料信息表

材料密度/(t·mm−3)泊松比弹性模量/MPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa 45钢(原拖车钩)7.85E−90.3210 000355600 40CrMo(优化方案拖车钩)7.85E−90.3210 000785980 SAPH440(加强板)7.85E−90.3210 000280440

图3 拖车钩强度分析有限元模型

1.4 拖车钩系统有限元分析结果

按照上述拖车钩有限元模型设定的边界条件，采用HyperWorks有限元分析软件对优化方案的拖车钩进行模拟工况加载并卸载，拖钩卸载残余变形位移云图如图5所示。

优化方案拖车钩卸载残余变形分析结果与原方案对比如表2所示。

表2 优化方案拖车钩卸载残余变形量与原方案和对标车型对比表

施加的应力及方向优化方案拖车钩形变值/mm原方案拖车钩形变值/mm对标车型拖车钩形变的设计值/mm 5°pull0.0040.5141 5°press0.0030.3811 25°pull0.3630.9831 25°press0.5861.1641

从图5和表2可以看出，当施加不同工况载荷并卸载时，优化后的拖车钩残余变形量模拟结果均小于原方案和对标车型拖车钩方案，说明优化后的拖车钩在承受牵引力时，自身不会发生明显塑性变形或断裂的风险，拖车钩结构刚度得到提升。

2 热处理对拖车钩材料微观组织和冲击韧性的影响

在第1章节已通过结构设计优化、增加加强件及更改高牌号材料提升了拖车钩系统的屈服强度，本小节采用热处理工艺，通过改变拖车钩材料40CrMo钢的微观组织，在不更改拖车钩宏观结构的前提下进一步增加拖车钩的冲击韧性。

2.1 试验材料成分

试验材料40CrMo化学成分如表3所示。

表3 40CrMo钢的化学成分

元素CSiMnCrMo其他杂质 Wt/%0.420.280.651.00.25≤0.02

2.2 热处理方案设定

试验材料的淬火温度设定为790 ℃±5 ℃，淬火冷却介质采用20%水溶性PAG（Polyaleneglycol）淬火液。

回火温度设定为560 ℃±5 ℃，设定的回火保温时间分别为1 h、2 h、3 h，根据回火保温时间的不同将试验材料分成3组进行验证，每组试验加工3块缺口冲击试样。

2.3 缺口冲击试样检测

选用ZBC2302N-3型金属摆锤冲击试验机进行试验，冲击功能量选择300 J，缺口冲击试样如图6所示。

图6 缺口冲击试样示意图

2.4 回火保温时间对材料组织的影响

图7为40CrMo钢790 ℃淬火后560 ℃回火保温时间1 h的金相组织。可以看出，560 ℃保温1 h的组织为深色颗粒状的回火索氏体和亮白色块状的铁素体组织，保温1 h的索氏体组织比较细化，白色块状铁素体分布在晶粒界面。

图7 790 ℃淬火560 ℃回火保温1 h金相组织

图8为40CrMo钢790 ℃淬火后560 ℃回火保温时间2 h的金相组织。可以看出，回火保温时间为2 h的组织为回火索氏体和未奥氏体化的铁素体组织，与回火保温时间为1 h的组织相比，保温时间2 h的回火索氏体组织颗粒有所长大，呈白色块状铁素体分布在晶粒界面。

图8 790 ℃淬火560 ℃回火保温2 h金相组织

图9为40CrMo钢790 ℃淬火后560 ℃回火保温时间3 h的金相组织。可以看出组织中大多为回火索氏体，与回火保温时间2 h组织相比，索氏体组织中碳化物颗粒进一步长大。

从40CrMo钢不同回火保温时间的组织变化可以看出，回火保温1 h，回火组织为细化的索氏体组织和残留铁素体组织，2 h回火，回火索氏体颗粒尺寸增加。保温时间3 h，索氏体组织进一步粗化。

图9 790 ℃淬火560 ℃回火保温3 h金相组织

2.5 回火保温时间对材料冲击吸收功的影响

表4是40CrMo钢在不同回火保温时间下的冲击吸收功对比，可以看出，随着回火保温时间的提高，冲击吸收功有上升。回火保温时间3 h，冲击吸收功为63.3 J。

表4 不同回火保温时间下材料的冲击吸收功

回火保温时间/h冲击吸收功/J 142.4 251.9 363.3

材料的冲击吸收功随回火保温时间延长而增大的原因是：回火保温过程中马氏体分解，形成了碳化物数量较多的回火索氏体组织，马氏体基体及其合金元素的过饱和度降低，塑韧性增加，提高了冲击韧性。

3 结论

改变拖车钩材质及增加U型加强板，可以提高拖车钩自身在承受牵引力时的刚度，保证拖车钩自身不发生明显塑性变形，同时提高了拖车钩与车架连接部位的强度。拖车钩用40CrMo钢采用790 ℃淬火、560 ℃回火的工艺，随着回火保温时间的提高，拖车钩用40CrMo钢的冲击韧性随之升高，回火保温时间3 h，冲击吸收功为63.3 J。

[1] 赖劼修,张燕.纯电动物流车拖车钩断裂失效研究与设计[J].热加工工艺,2020,49(18):157-160.

[2] 石锦.拖车全工况的仿真效率提升[J].上海汽车,2020 (9):45-53.

[3] 张思斌,黄一栋,刘壮,等.热处理对微合金钢组织和力学性能的影响[J].热加工工艺,2022(20):114-117.

[4] 秦兴祖,张雯,蒯振.拖车钩断裂试失效分析与优化[J].金属加工(热加工),2022(6):90-92.

[5] 李康丽,李永志,孙国栋.正火预热处理对42CrMo曲轴钢调质后的组织与性能影响[J].特殊钢,2020,41 (4):26-29.

[6] 张京,谭小明,石磊.回火工艺对42CrMo钢调质后组织及性能的影响[J].机车车辆工艺,2018(2):32-33.

Study on Technology of Improving the Strength and Toughness of Trailer Coupler

ZHANG Yanjing1, LI Junying2

( 1.Shaanxi Fengrun Intelligent Manufacturing Research Institute Company Limited, Xi'an 712000, China;2.BYD Automobile Company Limited, Xi'an 710100, China)

In order to improve the strength and toughness of the trailer coupler and its connecting parts, the structure of the trailer coupler and the material of the trailer coupler are optimized. Using the finite element software HyperWorks to simulate and verify the trailer coupler under different working conditions, and to analyzethe residual deformation of the trailer coupler after unloading. The analysis shows thatthe residual deformation of the optimized trailer coupler is lower than that of the original one, and the yield strength of the structure of the trailer coupler is improved. The impact toughness of 40CrMo steel for trailer coupler can be increased by heat treatment. The effect of tempering time after quenching on the microstructure and properties of 40CrMo steel is studied, the process of heat treatment is 790 ℃quenching+560 ℃ tempering. The impact toughness of the material increases with the prolongation of tempering holding time.

Toughness of the trailer coupler;Finite element; Yield strength; Tempering holding time; Impact absorption work

U462

A

1671-7988(2023)18-117-05

张延京（1991－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车结构设计及材料，E-mail:408832340@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.023