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[分享] 某电动轻卡转向节臂断裂失效分析及优化

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发表于 2020-6-17 09:29:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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某电动轻卡转向节臂断裂失效分析及优化

朱金宝1,宋小伟1,肖聪1,王涛1,范学群2

(1.东风汽车股份有限公司,湖北 武汉 430057;2.航天重型工程装备有限公司,湖北 孝感 432000)


【中国汽车材料网】摘要:
文章就某电动轻卡转向节臂出现断裂问题,通过材质、力学性能检测及CAE结构强度分析,得出断裂主要原因在于节臂转弯处薄弱,发生疲劳断裂;对薄弱处进行加强优化,表面进行喷丸强化处理,疲劳寿命得到极大提升。经过疲劳试验及可靠性路试验证,优化措施切实有效。

关键词:转向节臂;断裂;疲劳分析;结构优化
前言
某电动轻卡在路试过程中,前桥左转向节臂发生断裂(见图1、2)。转向节臂连接直拉杆、转向节及横拉杆,起着传递转向机输出的转向力作用,是汽车转向系统重要零件之一。转向节臂承受直拉杆推拉作用,方向及力大小均变化,表现为弯扭组合变形,对其强度、抗冲击、疲劳寿命等有相当高要求。
本文从多方面研究其断裂原因,采取优化措施,提高其强度及疲劳寿命,避免此种一体式节臂在寿命周期内再发断裂。
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图1 断裂节臂1
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图2 断裂节臂2

1 转向节臂断裂原因分析
1.1 化学成分分析
在样品断口处附近取样,分析结果如表1所示,化学成分符合GB/T3077中40Cr钢的要求。
表1 化学成分(质量分数/%)

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1.2 组织及硬度检查
如表2所示,组织及硬度符合要求。
表2 组织及硬度检测

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1.3 力学性能检测
将样品加工成标准拉伸试件,对试件进行拉伸试验,结果如表3所示,力学指标满足GB/T3077中40Cr钢技术要求。
表3 拉伸性能试验检测

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1.4 静强度分析
1.4.1 有限元模型
图3为受力简图。在节臂锥面施加全约束,在与横拉杆连接销孔施加X方向约束,在与直拉杆连接销孔施加转向力9345N(按转向机最大输出力矩换算)。三维实体有限元模型如图4所示。
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图3 节臂受力简图


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图4 节臂有限元模型


1.4.2 有限元结果分析
有限元计算结果如图5所示。40Cr安全系数为1.57[1],材料许用应力为785/1.57=500MPa。
(1)计算的应力最大值位于横拉杆连接销孔内壁处,此处施加刚性约束,为应力奇异点,结果是无效的,故应力最大值为638.6MPa,位于节臂截面向上收缩过渡区域,与实际断裂处位置一致。
(2)最大应力大于许用应力,且小于材料屈服极限,截面周圈应力幅度为100-638MPa,变化很大。过渡区应力突变,静强度降低,使其成为疲劳裂源区[2]。
综合以上几个方面,该转向节臂过渡区疲劳强度不够,寿命不高,易产生疲劳断裂。
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图5 等效应力云图


2 改进措施
提高零件疲劳强度有:(1)降低应力集中影响,增大过渡区圆角半径、开减载槽等;(2)提高零件表面质量,增加硬度;(3)选用合理的热处理,消除材料内应力等。本文采取1、2两项措施:
(1)截面尺寸由22X32增大为26X34,圆角由R5增加为R8,见图6、7。
(2)采用喷丸工艺在过渡区表面产生压应力,提高表面强度,有利于降低裂纹扩展速度。
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图6 原先节臂截面
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图7 优化节臂截面
3 疲劳分析
3.1 材料疲劳特性确定
进行疲劳分析,首先要确定S-N曲线,查出40Cr疲劳参数数据[3][4],做出其材料S-N曲线见图8:
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图8 40Cr S-N特性曲线


3.2 载荷参数
施加对称循环应力(图9)。喷丸工艺对疲劳强度的影响主要反映在疲劳强度系数Kf,本文取Kf为0.8[5]。



图9 对称循环交变应力


3.3 求解结果
从图10可看出,最大应力387MPa小于许用应力500 MPa,相比优化前最大应力638.6MPa,减少251.6MPa,改进措施显著提高过渡区强度,其截面应力水平较均匀(148-387MPa)。
如图11所示,优化后疲劳寿命整体大于1.48x106,过渡区最小寿命6x106,远大于前桥总成静转向耐久试验寿命要求2x105(20万次)。
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图10 优化后节臂等效应力云图


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图11 节臂疲劳寿命云图


4 试验
为验证CAE分析和优化措施有效性,进行转向节臂耐久试验。为与节臂实际运行工况一致,将其随前桥装配成一体进行试验[6],如图12所示。施加对称循环载荷为9345N,载荷波形为正弦波,频率3Hz。三个试件疲劳寿命均大于试验要求2x105(20万次)。
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图12 节臂耐久试验装置


5 结论
本文针对电动轻卡前桥转向节臂断裂失效现象,应用CAE技术,展开节臂结构优化研究,得到以下结论:
(1)断裂失效主要原因是节臂强度不够,CAE分析结果与实际断裂位置相符。
(2)通过结构优化及表面喷丸强化,有效提高零件疲劳寿命。
(3)改进后的转向节臂经过疲劳试验及可靠性路试,已批量投入使用,装车数百台,实车运行良好,未得到客户反馈再发断裂现象,改进措施显著有效。

参考文献
[1] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2001.
[2] 徐灏.疲劳强度[M].北京:高等教育出版社,1981.
[3] 曾正明.机械工程材料手册—金属材料[M].北京:机械工业出版社,2003.
[4] 徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991.
[5] 王国军,李栓成.车辆结构有限元分析[M].北京:机械教育出版社, 2013.
[6] 王延强.转向节和转向节臂疲劳强度研究[D].2007.



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