某輕型卡車前橋用工字梁疲勞壽命偏低分析及優(yōu)化

袁智明，柴博，賈偉偉，陳開超，王濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型卡車前橋用工字梁疲勞壽命偏低分析及優(yōu)化

袁智明，柴博，賈偉偉，陳開超，王濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了某輕型卡車2.5T前軸用工字梁垂直彎曲疲勞試驗壽命偏低，并對試驗樣件進行斷口微觀、金相及硬度分析等找出疲勞壽命低的原因，通過改進工字梁鍛造及熱處理等加工工藝提升其疲勞壽命，最終通過垂直彎曲疲勞試驗驗證其疲勞壽命符合設(shè)計要求，其承載性能安全可靠。

工字梁；疲勞壽命；分析；優(yōu)化

引言

汽車的車橋根據(jù)布置位置不同，可分為前橋和后橋，前橋由工字梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷等主要零部件組成，其中轉(zhuǎn)向節(jié)和工字梁通過主銷連接，轉(zhuǎn)向節(jié)繞主銷旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向，工字梁鋼托位置通過板簧與車架連接，承載整車重量，在汽車行駛過程中，工字梁主要承受垂直載荷，因此其承載能力直接影響整車行駛安全，而工字梁承載能力通過垂直彎曲疲勞試驗疲勞壽命指標衡量。

1 問題提出

某輕型卡車用前橋額定載荷為2.5T，該工字梁在開發(fā)過程中進行垂直彎曲疲勞試驗驗證時，三根工字梁均出現(xiàn)斷裂失效，且其疲勞壽命偏低，承載能力不足，如直接量產(chǎn)投入市場有較大風險。

2 現(xiàn)狀調(diào)查與提升目標

2.1 疲勞壽命現(xiàn)狀調(diào)查

參照汽車行業(yè)標準QC/T 513《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》要求進行三根工字梁垂直彎曲疲勞試驗，試驗情況如圖1所示，試驗載荷為近似正弦波的交變載荷，前橋靜滿載軸荷2.5T，按照圖2所示力矩進行加載，試驗完成后，三根工字梁均出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，垂直彎曲疲勞試驗結(jié)果如表1所示。

圖1 工字梁垂直彎曲疲勞試驗

圖2 試驗載荷示意圖

表1 垂直彎曲疲勞試驗結(jié)果

備注：B5表示前軸累積破壞率為5%，B50表示前軸累積破壞率為50%

2.2 疲勞壽命提升目標

根據(jù)某輕型卡車前軸用工字梁垂直彎曲疲勞試驗結(jié)果，可判定該車前軸承載能力存在較大風險，按照QC/T 483《汽車前軸疲勞壽命限值》要求，將提升目標確定為 B5不小于30萬次，B50不小于70萬次。

3 原因分析與整改方案

鑒于2#樣件疲勞壽命接近B50壽命要求，而1#樣件和3#樣件尚未達到B5壽命，因此本文僅對1#和3#樣件進行分析。

3.1 疲勞斷口分析

圖3所示為工字梁疲勞斷裂位置，可見1#與3#工字梁的疲勞裂紋均位于彈簧座背面與工字梁交接的過渡圓弧區(qū)域，而2#工字梁的疲勞裂紋位于中間工字筋部位：

圖3 前軸疲勞斷裂位置

3.2 斷口微觀分析

對1#工字梁與3#工字梁斷口樣本進行SEM觀察，具體拍攝位置如圖4所示。

圖4 斷口SEM拍攝位置

1#工字梁與 3#工字梁疲勞源Ⅰ區(qū)域的 A部位均出現(xiàn)明顯的鍛造折疊。1#工字梁的折疊深度為1.5mm；3#工字梁的折疊深度為1.2mm，由于折疊的尾端會成為應(yīng)力集中點，在循環(huán)載荷的作用下就會形成疲勞源。同時1#工字梁與3#工字梁在距離鍛造折疊8mm左右的B部位發(fā)現(xiàn)切邊拉痕，其中1#工字梁的切邊拉痕長2mm，最深0.25mm；3#工字梁的切邊拉痕長 2.2mm，最深 0.15mm，由于該部位受到交變拉壓的循環(huán)載荷，所以在切邊拉痕的較深處就會形成局部的應(yīng)力集中，以至于形成疲勞源。因此，1#與3#工字梁產(chǎn)生疲勞源的因素為工字梁出現(xiàn)鍛造折疊與切邊拉痕，如圖5、圖6所示。

圖5 1#工字梁疲勞源Ⅰ區(qū)域SEM檢測

圖6 3#工字梁疲勞源Ⅰ區(qū)域SEM檢測

3.3 斷口金相檢測

根據(jù)金相組織評級標準，在距離表面10mm左右的區(qū)域觀察。拍攝金相組織分布如圖7所示，1#、3#工字梁斷裂區(qū)域附近工字筋組織為回火索氏體+鐵素體，根據(jù) GBT13320《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》評級為3級，組織分布均勻，滿足要求。

圖7 金相組織觀察圖

3.4 硬度檢測

圖8 工字梁硬度檢測位置圖

工字梁熱處理后表面硬度要求為HB235-HB277。分別對1#、3#工字梁斷裂區(qū)域工字筋表面進行硬度測試，硬度在HB259-HB269范圍內(nèi)，檢測位置如圖8所示，滿足要求。測試結(jié)果如表2所示。

表2 前軸硬度測試結(jié)果

通過以上分析可知1#和3#工字梁斷裂部位一致，工字梁金相和硬度均滿足要求，斷裂原因主要是由于表面質(zhì)量差，表面存在鍛造折痕和切邊拉痕。

3.5 整改方案

為提升工字梁表面質(zhì)量，減少表面缺陷，制定以下工藝提升方案：

（1）將現(xiàn)有輥鍛工藝更改為模鍛工藝，同時將摩擦壓力機噸位由4000T提升至8000T，采用大噸位模鍛工藝可以有效保證工字梁外觀質(zhì)量，比輥鍛工藝沖型飽滿，減少折疊刮傷現(xiàn)象，提升表面質(zhì)量，如圖9所示；

圖9 工字梁鍛造工藝

圖10 懸掛式熱處理

圖11 打磨清理工藝

（2）采用分層噴淋淬火工藝保證熱處理后的一致性，懸掛式熱處理具有變形低、硬度均勻，如圖10所示；

（3）增加一道探傷工藝，二次探傷檢查減少內(nèi)部缺陷，由一次噴丸改為分清理拋丸和強化拋丸，二次噴丸延長噴丸時間，保證鍛件表面質(zhì)量；

（4）由終鍛后切邊新增切邊后打磨清理工藝，在一次探傷打磨消除切邊缺陷后再進行二次磁粉探傷，確保鍛件表面無折疊及切邊拉痕等缺陷。

4 整改驗證

通過上述措施，隨機選取同批次3根工字梁進行垂直彎曲疲勞試驗，試驗條件參照標準要求，試驗結(jié)果如表3所示：

表3 改進后工字梁垂直彎曲疲勞試驗結(jié)果

參照QC/T 513《汽車前軸臺架疲勞壽命試驗方法》要求進行垂直彎曲疲勞試驗，最低疲勞壽命為83.7萬次（斷裂）、中值疲勞壽命為97.4萬次（未斷裂）均大于B50最低要求的70萬次指標，符合QC/T 483《汽車前軸疲勞壽命限值》要求，工字梁承載性能滿足要求，改進效果明顯，達到預期提升目標。

5 結(jié)束語

對工字梁鍛件強度和疲勞壽命影響最大的其實不是結(jié)構(gòu)尺寸，鍛件表面缺陷、材料、熱處理工藝師最關(guān)鍵的三大因素，本文主要介紹了某輕型卡車前橋用工資浪疲勞壽命偏低，經(jīng)過端口分析及金相硬度檢測，通過改進鍛造工藝及熱處理工藝等提升鍛件表面質(zhì)量，最終有效提升工字梁疲勞壽命，本文結(jié)合故障件分析及垂直彎曲疲勞試驗，為工字梁設(shè)計開發(fā)及提升其疲勞壽命提供了參考。

[1] 王望予.汽車設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[2] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計.北京:清華大學出版社,2010.

[3] 江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心.江淮輕型卡車設(shè)計規(guī)范.第一版,合肥:江淮汽車股份有限公司,2006.

Low fatigue life analysis and optimization of the fatigue life of the front axle of a light truck

Yuan Zhiming, Chai Bo, Jia Weiwei, Chen Kaichao, Wang Tao
（Anhui Jianghuai Automobile grop Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

A light-duty truck 2.5 T front axle are introduced in this recruitment beam vertical bending fatigue test life is low,and the test sample fracture microscopic metallographic and hardness analysis to find out the reasons of low fatigue life by improving the I-beam forging and heat treatment, and the processing technology, improve its fatigue life eventually through vertical bending fatigue test to verify its fatigue life in accordance with the design requirements, the load-bearing performance safe and reliable.

I-beam; Fatigue life; Analysis; Optimize

U467

A

1671-7988(2017)22-110-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.040

袁智明，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心輕型商用車研究院。

CLC NO.:U467

A

1671-7988(2017)22-110-03