汽车稳定杆连接杆球头销断裂原因

袁成逸,李 迪,杨毅涛,徐文雷

[吉利汽车研究院(宁波)有限公司,宁波 315336]

汽车通过稳定杆来调整侧倾角的刚度,以改善汽车的行驶稳定性,因此稳定杆连接杆与连接件之间球头销的性能直接影响车辆驾乘的操纵稳定性以及乘坐舒适性[1-3]。在对某型号汽车进行结构强度耐久路试时,其稳定杆连接杆球头销发生断裂现象。球头销选用的材料为42Cr Mo钢,该钢是一种优质合金高强钢,经过调质处理后,该钢具有优良的综合力学性能,已广泛应用于汽车、航空航天及工程机械等领域[4-8]。球头销的主要生产工艺为:下料→冷镦→淬火→高温回火→滚丝→粗车→精车→滚光→清洗→入库。笔者采用一系列理化检验和有限元方法分析该球头销断裂的原因,以避免该类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

稳定杆连接杆球头销宏观形貌如图1所示,箭头所指为断裂位置。由图1可知:球头销沿颈部应力集中处断裂,断口附近未发生明显宏观塑性变形。

球头销断口宏观形貌如图2所示。根据断裂纹理特征,可将断口分为4个区域:上下两侧为裂纹源区Ⅰ和Ⅱ;沿上下两侧向中心延伸的为裂纹扩展区Ⅰ和Ⅱ,这两个区域的断裂纹理较细,颜色呈白亮色;中间区域为最终断裂区,该区域断裂纹理较粗糙,颜色呈暗黑色。

图2 断裂球头销断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对断裂球头销材料进行化学成分分析,结果如表1所示,其结果满足GB/T 3077—2015《合金结构钢》的要求。

表1 断裂球头销的化学成分分析结果 %

1.3 扫描电镜(SEM)和能谱分析

将断裂球头销的断口放置在场发射扫描电子显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知:断口上下两侧裂纹源区Ⅰ和Ⅱ可见疲劳台阶;裂纹扩展区Ⅰ和Ⅱ可见明显的二次裂纹,呈疲劳断裂特征;最终断裂区可见韧窝形貌,呈瞬时拉开的断裂特征。

图3 断裂球头销断口SEM 形貌

1.4 金相检验

沿球头销断口附近截取试样,将试样磨制抛光,并用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀,用光学显微镜观察试样,结果如图4所示。由图4可知:表层与心部显微组织均为珠光体和铁素体,非回火索氏体组织,表明该球头销没有经过调质热处理。

图4 断裂球头销的显微组织形貌

1.5 硬度测试

采用维氏硬度计对断裂球头销进行硬度测试,试验载荷为98 N,保持时间为15 s,结果为241,243,239 HV,不满足技术要求(321～371 HV)。

2 有限元分析

2.1 强度有限元分析

稳定杆连接杆球头销的中间倒角位置处发生断裂,对该位置进行分析。采用Hyper Works软件对球头销倒角断裂位置附近进行高阶六面体网格划分,网格大小为0.3 mm;其余部分采用高阶四面体网格划分,网格大小为1 mm,划分后的有限元网格模型如图5所示。设置球头销的材料为42Cr Mo钢,弹性模量为212 GPa,泊松比为0.28。

图5 球头销的有限元网格模型

对于稳定杆连接杆结构,杆部两端连接球头销,球头销下部与其他部件连接。对于球头销来说,稳定杆杆部相当于二力杆结构,球头销上部受到稳定杆轴向力的作用,下部与其他部件连接处约束,球头销的力学模型如图6所示。

图6 球头销的力学模型

根据上述力学模型,对球头销进行加载及约束。由于需要进行疲劳分析,因此沿轴向对球头销施加1 N的载荷(见图7),求得该状态下的应力。

约束位置存在应力奇异的现象,且重点关注球头销上半部发生断裂的位置,计算出上半部球头销单位载荷下的应力云图(见图8)。

图8 球头销单位载荷下的应力云图

2.2 疲劳有限元分析

采用nCode Design Life软件对稳定杆连接杆球头销的疲劳损伤进行分析。疲劳损伤计算载荷谱(见图9)主要有5种工况,5种工况均为正负两个方向的交变载荷,且每种工况对应一定的循环次数(见表2),结合单位载荷下的应力结果以及球头销材料的应力-寿命曲线,对疲劳损伤进行迭代累积计算。

表2 载荷谱循环次数

断裂球头销的硬度为241 HV,正常球头销的硬度为337 HV。按照GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》进行换算,断裂球头销所用材料的强度约为790 MPa,正常球头销所用材料的强度约为1 080 MPa,通过强度拟合的应力-寿命曲线如图10所示。

图10 应力-寿命曲线

采用Goodman平均应力修正法进行疲劳损伤计算,用临界平面法进行应力组合,存活率设置为50%,计算得到的寿命分布云图如图11所示。

图11 断裂球头销和正常球头销的寿命分布云图

稳定杆连接杆球头销的设计寿命需大于1,根据上述球头销的寿命分布云图,对其进行设计寿命校核,结果如表3所示。

表3 球头销的寿命校核结果 %

3 综合分析

理化检验结果表明,断裂球头销的化学成分满足技术要求。断裂球头销的显微组织为珠光体与铁素体,而球头销经调质热处理后应为回火索氏体,故其显微组织不满足要求。该球头销硬度比正常球头销的硬度低,球头销的断裂性质为双向弯曲疲劳断裂。

对正常球头销进行疲劳设计寿命校核,其最短寿命高于评价标准要求,表明球头销的设计强度满足要求;对断裂球头销进行疲劳设计寿命校核,最短寿命低于评价标准要求,且寿命最短的点与球头销断裂的位置基本保持一致。同时,球头销在上述工况下受到两个方向的力,结合球头销的断裂性质可知,该球头销装配正常。从而得出:断裂球头销未经过调质热处理,材料硬度及强度均低于正常球头销,在交变载荷的作用下,材料发生了双向弯曲疲劳断裂。

4 结论和建议

(1)该稳定杆连接杆球头销的断裂性质为双向弯曲疲劳断裂,而球头销未经过调质热处理,导致所用材料硬度与强度的降低,这是球头销断裂的主要原因。

(2)建议严格执行球头销的生产加工工艺,对其进行调质热处理,保证球头销所用材料具有足够的强度。