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某商用車減震器支架及銷軸斷裂分析

劉廣，楊明

(東風華神汽車有限公司，十堰  442000)

【摘要】針對商用車減震器支架、銷軸斷裂事件，使用CAE分析校核與產(chǎn)品質檢相結合的方法，將分析結果與實際斷裂情況進行了對比，結果表明支架最大應力值175MPa、銷軸最大應力值124MPa，為正常應力值范圍，但斷裂部位與應力集中部位一致。觀測支架斷裂面，存在2處明顯縮孔，存在鑄造缺陷。銷軸金相分析報告顯示，軸段硬度不符，產(chǎn)生馬氏體組織脆硬相。受到?jīng)_擊載荷時，由于支架內部缺陷小孔、軸段硬度不均勻從而導致斷裂情況發(fā)生。

【關鍵詞】CAE分析，鑄造缺陷，金相分析

中圖分類號：U463.83     文獻標識碼：A

引言

   減震器支架是汽車懸架中應用廣泛的一種裝配元件，它不僅作為蓋板與U型螺栓配合將鋼板彈簧壓緊固定，同時作為懸架系統(tǒng)的減震器下端安裝連接點，承載懸架系統(tǒng)所受的沖擊載荷等。但懸架系統(tǒng)設計工作中常常僅分析鋼板彈簧，忽視減震器支架及銷軸的強度問題，導致其斷裂問題發(fā)生。劉超[1]等人對某客車的減震器支架進行強度分析，發(fā)現(xiàn)初版結構不滿足強度設計要求，并根據(jù)CAE分析結果提出了針對性的優(yōu)化方案，并通過再次仿真驗證了優(yōu)化方案的可行性。 趙東升[2]等人借助CAE分析方法，對車架及減震器支架進行靜力學分析，優(yōu)化了結構不足，最終提升了減震器支架強度的可靠性。王秋羽[3]等人對某減震器支架進行多工況下的強度分析，結合仿真結果提出優(yōu)化方案，并對優(yōu)化后的結構進行實車路試可靠性試驗，驗證了優(yōu)化方案的可行性。本文針對某商用車減震器、銷軸的斷裂問題，使用CAE強度分析，結合樣件質檢得出其真實斷裂原因，實際應用驗證分析方法的正確性。

1  問題描述

   本文中前懸架系統(tǒng)為多片簧結構，減震器支架結構為一體鑄造而成，下方通過銷軸安裝減震器下端如圖1所示。

圖1 實車前懸架系統(tǒng)與上蓋板模型

   經(jīng)售后反饋，存在1臺車輛使用2個月后，上蓋板斷裂；另1臺車輛減震器軸銷斷裂，斷裂照片如圖2、圖3所示：

圖2 實車減震器支架斷裂照片

圖3 實車減震器銷軸斷裂照片

   根據(jù)故障件的斷裂形態(tài)，初步考慮為結構設計不滿足強度或者零件材料缺陷導致。且此支架已批量生產(chǎn)，反饋斷裂件故障率不足1%，故采用CAE仿真驗證與質量檢測同時展開快速定位問題點。

   根據(jù)整車行駛工況和減震器支架在整車中的安裝方式，提取出該減震器支架的載荷邊界和工況條件。該車輛配備的減震器油液最大量為320ml，其最大壓縮阻力1500N，最大復原阻力4000N，其復原阻力大于壓縮阻力，故選取最大復原阻力作為載荷參數(shù)。在實際工況中，支架能滿足極限載荷4000N的阻力，則結構強度滿足設計要求。

2 CAE分析

   為快速校核上蓋板強度是否需要使用工況，采用CAE仿真分析，根據(jù)設計輸入的材料參數(shù)信息，減震器支架及銷軸材料參數(shù)如表1所示：

表1 材料參數(shù)表

名稱

材料

屈服強度

抗拉強度

減震器支架

ZG310

310MPa

570MPa

銷軸

40Cr

785MPa

980MPa

2.1  前處理

   使用Creo軟件繪制減震器支架、銷軸、減震器等三維模型，導入Hypermesh中，采用四面體單元劃分網(wǎng)格，采用Rbe2單元抓取上蓋板底部、U型螺栓接觸面節(jié)點，建立約束。減震器下支架采用3D實體單元模擬；螺栓采用rigid+beam單元模擬；根據(jù)整車減震器支架邊界載荷輸入為4000N，方向與減震器下支架軸端垂直，作用點為軸端中心點位置，建立軸荷加載工況。減震器下支架與橋本體相連，截取橋接觸部位與減震器上支架通過螺栓連接，由于無法采集到輪胎激勵響應及前橋對減震器的沖擊載荷，故而忽略輪胎激勵對下支架的響應影響，將橋截取部分進行全約束。Rbe2單元抓取減震器端面節(jié)點，施加沖擊載荷如圖4所示，使用Optistruct進行求解計算。

圖4 CAE分析前處理

2.2  分析結果

   此減震器支架的材質為ZG310，在前懸架系統(tǒng)壓縮極限工況下，有兩處應力集中部位，分別為上蓋板底部邊緣、U型螺栓接觸面處。減震器支架的最大應力值為175MPa，并未超出材料屈服強度，安全系數(shù)為1.8符合設計要求，其應力云圖與實物斷裂對比圖如圖5所示：

圖5上蓋板應力云圖與實物對比

   分析結果顯示，銷軸處最大應力值124MPa，安全系數(shù)為6.3符合設計要求。應力集中部位如圖6所示：

圖6銷軸應力云圖

   由CAE仿真分析結果知此減震器支架、銷軸的結構強度較好，斷裂風險較低，實車斷裂需進一步分析研究。

3  斷裂分析

   鑄剛件技術要求一般明確規(guī)定，不允許有縮孔等影響安全使用性能的鑄造缺陷，且缺陷不得焊補。通過觀察斷面后發(fā)現(xiàn)，此減震器支架的鑄件斷面上可以觀察到尺寸大小不的小孔，且其斷面中存在2處明顯縮孔，這些會將降低鑄鋼件內部有效承載面積，導致材料力學性能下降。且鑄件斷面未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞輝紋，斷裂面較為粗糙，呈現(xiàn)明顯脆性斷裂的特征，晶粒在肉眼下可見較為粗大，尺寸為0.6-1.2mm，其斷裂件實物如圖6所示：

圖6 上蓋板斷面宏觀照片

   為進一步查明銷軸斷裂原因，采用金相分析驗證，結果顯示此銷軸的軸桿馬氏體較為粗大，且硬度值與此圖紙要求嚴重不符，馬氏體組織為脆硬相，故推斷銷軸斷裂與此有關。進一步分析得知熱處理方式錯誤，軸段硬度不均勻，分析報告如圖7所示。

圖7 銷軸金相分析報告

5  結 論 

本文采用CAE分析校核與實物斷裂件對比、質檢分析相結合的方法，找出了懸架系統(tǒng)中減震器支架、銷軸斷裂的真實原因，結論如下：

（1）減震器支架CAE分析結果為175MPa，銷軸應力值為124 MPa，均在正常范圍之內，斷裂風險較低，且應力集中部位與實車零部件斷裂部位相同。

（2）通過觀察斷面，減震器支架鑄件斷裂部位存在多個縮孔，通過質檢分析表明：此上蓋板存在鑄造缺陷，銷軸存在硬度不均勻，熱處理手段不正確問題，綜上所述斷裂原因為質量缺陷，導致強度不足在應力集中處斷裂。

參考文獻

[1] 劉超,段圣文.有限元仿真分析在后橋減震器支架設計上的應用[J].安徽科技,2021(04):49-50.

[1] 趙東升,秦秀文,傅汝林,張峰銘,劉煥霞,趙紀牧.基于HyperMesh的副減震器支架結構設計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2017,55(12):87-88+92.

[2] 王秋羽,趙恩剛,陳杰.基于Hyperworks的減震器支架強度分析及優(yōu)化設計[J].機械工程師,2017(09):108-109.

[3] 金屬材料手冊[M]. 化學工業(yè)出版社 , 安繼儒, 2008.

[4] 熱處理手冊[M]. 機械工業(yè)出版社 , 中國機械工程學會熱處理學會, 2008.

[5] 鑄造工程師手冊[M]. 機械工業(yè)出版社 , 中國鑄造協(xié)會《鑄造工程師手冊》編寫組, 2010.

劉廣，中級工程師，參與底盤零部件及系統(tǒng)開發(fā)設計、分析工作。

從事方向為:汽車轉向、懸架、制動系統(tǒng)設計、強度、耐久、頻響、多體運動學仿真方

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