飛機、輪船、機車、汽車、動力機械、工程機械、冶金機械等主要零部件，大多數(shù)是在循環(huán)變化的載荷下工作，疲勞斷裂是其失效的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中大約有 80%以上屬于疲勞破壞[1]。汽車零部件的疲勞問題也日益突出，發(fā)動機零部件失效占比可達(dá) 41%。比如表面劃傷引起的傳動軸斷裂[2]，排氣管支架出現(xiàn)的焊接螺母疲勞開裂問題[3]。

 

疲勞斷裂已經(jīng)成為汽車零部件失效的主要形式，在零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工質(zhì)量等方面應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，避免不必要的疲勞斷裂，保障行車安全。

 

國內(nèi)外多數(shù)相關(guān)研究通常采用外觀檢查、斷口宏觀和微觀分析、表面檢查、材質(zhì)分析等常規(guī)手段對斷裂的零部件進行失效分析，只能對零部件失效斷裂的類型進行定性分析。本文針對一款手動擋營運車輛搭載的離合器液壓工作缸支架臺架試驗中出現(xiàn)斷裂的情況展開研究，在常規(guī)失效分析方法基礎(chǔ)上，又針對該支架進行仿真有限元分析，不僅可以對該支架失效斷裂的類型進行定性分析，還可以得出失效原因并制定可行的優(yōu)化改進措施，并順利通過臺架試驗驗證。

 

1 故障描述與原因分析

1.1 宏觀檢查

該液壓工作缸支架安裝于離合器殼體上，如圖 1 所示。支架承受的載荷主要來自于液壓工作缸。當(dāng)踩下制動踏板時，分離撥叉軸桿帶動搖臂，通過連接桿壓縮液壓工作缸，液壓工作缸向支架傳遞推力；松開制動踏板后支架回到原位置。支架斷裂情況如圖 2 所示，斷裂發(fā)生中間焊接加固板上端頂點兩側(cè)，裂紋由焊縫焊趾邊緣呈弧線向下擴展，兩側(cè)裂紋長度均為 30mm。

 

 

圖 1 液壓工作缸支架安裝結(jié)構(gòu)

 

 

圖 2 液壓工作缸支架斷裂情況

 

1.2 斷口分析

支架兩側(cè)裂紋斷口均呈現(xiàn)多點起源的雙向彎曲疲勞斷裂特征，源區(qū)疲勞裂紋臺階發(fā)達(dá)，左側(cè)斷口疲勞擴展區(qū)貝紋線清晰。兩側(cè)斷口處焊縫焊趾根部均存在未焊合現(xiàn)象，疲勞裂紋最開始起源于未焊合的焊趾根部，在作用力下，裂紋在支架內(nèi)外兩側(cè)表面多點起源并最終發(fā)生開裂。

 

1.3 理化分析

樣件的各項指標(biāo)檢查如下（1）-（3）項所示，均符合公司內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)，說明材料本身不存在缺陷。

 

(1)化學(xué)成分檢查

支架材料為 QSTE420TM（EQL-27），其化學(xué)成分檢測結(jié)果見表 1，滿足材料定義的要求。

 

表 1

 

 

(2)金相組織檢查

支架的基體的金相組織為鐵素體+珠光體。

 

(3)基體硬度檢查

支架的基體硬度為 154/151/159/158/160,平均值 156HV，換算材料抗拉強度 498MPa，符合材料定義 QSTE420TM（EQL-27）的要求（480-620MPa）。

 

1.4 有限元分析

在 HyperMesh 中建立支架與裝配體的有限元模型，如圖 3(a)所示。有限元網(wǎng)格劃分工具為 Hypermesh，采用 ABAQUS Standard3D 求解器分析。模型采用二階四面體單元(C3D10M)進行網(wǎng)格劃分，共劃分 454538 個單元，827408 個節(jié)點，對支架發(fā)生斷裂的部位進行網(wǎng)格細(xì)化處理，如圖 3(b)所示。

 

 

(a)離合器液壓工作缸支架裝配有限元模型

 

 

(b) 斷裂處網(wǎng)格細(xì)化處理

 

支架通過兩個 M8 螺栓固定在變速箱上，定義螺帽與支架，支架與變速箱之間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)按照經(jīng)驗設(shè)置為 0.15；定義螺柱與變速箱螺栓孔內(nèi)表面之間為綁定約束。支架的工作過程如 1.1 節(jié)所述，其載荷主要來自于液壓工作缸壓縮時對支架傳遞的推力 750N，該載荷由如下靜力學(xué)平衡公式計算得來。載荷沿液壓工作缸支架與液壓工作缸接觸面法線方向。

 

Fb*Lb=k*Fk*Lk

 

（其中 Fb 為支架所受推力，Lb 為液壓工作缸長度，F(xiàn)k 為離合器分離力，Lk 為分離撥叉搖臂長度，k 為離合器磨損后離合器分離力放大倍數(shù)）

 

支架的靜強度計算結(jié)果如圖 4 所示，中間焊接加固板上端頂點處 Mises 應(yīng)力值為927MPa，遠(yuǎn)超于材料的屈服強度 420Mpa；通過 FEMFAT 疲勞后處理軟件 Basic 模塊對支架加載 750N 和卸載 750N 兩個工況的靜強度仿真結(jié)果進行組合得出支架的疲勞安全系數(shù)，仿真計算結(jié)果如圖 5 所示，中間焊接加固板上端頂點處疲勞安全系數(shù)最小值為 0.38，遠(yuǎn)低于限值 1.1。該分析結(jié)果與支架實際開裂情況相吻合，可以判斷是因支架中間焊接加固板上端承受載荷過大引起的應(yīng)力集中，造成最終支架開裂。

 

 

圖 4 原支架靜強度計算結(jié)果

 

 

圖 5 原支架疲勞安全系數(shù)計算結(jié)果

 

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對支架中間焊接加固板上端應(yīng)力集中的現(xiàn)象提出優(yōu)化建議，在支架上增加焊接加固板可以較為明顯的分散集中應(yīng)力，設(shè)計方面根據(jù)優(yōu)化建議提出了 2 種優(yōu)化方案。優(yōu)化方案一：在原中間焊接加固板左側(cè)新增一焊接加固板，受焊接工藝的限制，兩加固板之間間距為25mm，加固板厚度 5mm， 加固板高度受支架形狀限制為 64mm，肋板傾角為 60 度，其結(jié)構(gòu)如圖 6(a)所示；優(yōu)化方案二：因為焊接工藝的限制，支架上沒有新增加固板的空間，故在優(yōu)化方案一基礎(chǔ)上上焊接一塊連接板，利用變速箱殼體上另一螺栓孔作為新增固定點，并增加一焊接加固板(為方便描述，將加固板從左至右分別命名為加固板 1、2、3)。為達(dá)到較好的支撐效果，分散集中應(yīng)力，加固板 3 固定在距離支架邊緣 5mm 處。為達(dá)成輕量化目標(biāo)，在保證支撐性的條件下，將加固板 1 高度降低 20mm。其結(jié)構(gòu)如圖 6(b)所示。

 

 

(a)優(yōu)化方案一

 

 

(b)優(yōu)化方案二

 

2.2 優(yōu)化方案有限元分析

對優(yōu)化方案一進行靜強度計算，結(jié)果如圖 7 所示，支架新增加固板上端頂點處 Mises應(yīng)力值為 454MPa，超過材料的許用限值 420MPa，優(yōu)化方案一靜強度結(jié)果不滿足許用要求。

 

 

圖 7 優(yōu)化方案一靜強度計算結(jié)果

 

對優(yōu)化方案二進行靜強度計算，結(jié)果如圖 8 所示。支架的 Mises 應(yīng)力最大處出現(xiàn)在加固板 3 上端頂點，其值為 281.5MPa，低于材料的許用限值 420MPa，滿足要求。對該支架進行疲勞安全計算，結(jié)果如圖 9 所示，支架的疲勞安全系數(shù)最小值也出現(xiàn)在加固板 3 上端頂點，為 1.35，超過疲勞安全限值 1.1，滿足要求。

 

 

圖 8 優(yōu)化方案二靜強度計算結(jié)果

 

 

圖 9 優(yōu)化方案二疲勞安全系數(shù)計算結(jié)果

 

3 試驗驗證

對優(yōu)化方案二試制件進行臺架試驗，在加固板 1 和加固板 3 附近粘貼傳感器采集應(yīng)力，傳感器固定在加固板旁 10mm 左右，避開焊縫，如圖 10 所示。試驗頻率設(shè)置為 1s/次，經(jīng)過 150 萬次臺架耐久試驗后，觀察支架表面無開裂現(xiàn)象，采集到的應(yīng)力結(jié)果如圖 11 所示。2#處最大 Von Mises 應(yīng)力為 212.6MPa，3#處最大 Von Mises 應(yīng)力為 129.5MPa，與仿真結(jié)果基本吻合。

 

 

圖 10 優(yōu)化方案二試制樣件

 

 

圖 11 試驗采集應(yīng)力結(jié)果（上圖為 2#處試驗結(jié)果，下圖為 3#處試驗結(jié)果）

 

4 結(jié)論

本文針對一款離合器液壓工作缸支架臺架試驗開裂的情況，首先通過宏觀觀察，判斷其屬于疲勞開裂，又利用有限元分析方法對支架進行靜強度與疲勞強度校核，仿真結(jié)果與實際開裂情況相吻合，證明了仿真模型和疲勞強度的評估方法都具有一定的合理性，為今后類似支架結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計提供了較好的參考。

 

本文主要結(jié)論有：

(1)本文采用有限元分析法對支架開裂原因進行排查確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)問題源頭后提出兩種優(yōu)化方案。通過有限元仿真手段可以在短時間內(nèi)快速完成方案驗證和橫向?qū)Ρ?，極大程度上縮短設(shè)計周期。

 

(2)由于該支架已完成試制，重新開模會產(chǎn)生較大費用支出。本文通過有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題并有針對性的提出優(yōu)化方案，在原支架模具的基礎(chǔ)上進行修模，從而降低設(shè)計成本。

 

資料來源：達(dá)索官方