某車型前穩定桿連接桿球銷臺階斷裂研究

劉仕冬,林 明,伍馬志,梁玉松

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007;2.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司,廣西 柳州 545007)

0 引言

前穩定桿連接桿是重要的前懸架零件,承受行車過程中前懸架上下跳動產生的拉力或壓力[1-2]。它一般與前穩定桿、前擺臂、轉向器總成、發動機后懸置等零件預先裝配在前副車架上形成前副車架部裝模塊(圖1),前副車架部裝模塊再被運到總裝車間與車身等零件進行裝配,以此提高生產效率和保證裝配質量。

圖1 前副車架部裝模塊示意圖

前副車架部裝模塊各連接點螺栓或螺母的擰緊一般是采用電槍擰緊,以此提高生產率并對各連接點扭矩進行記錄(在需要的時候可以反查某個連接點的扭矩)。某車型在項目開發初期,由于生產線未改造完成,前穩定桿連接桿與前穩定桿的連接采用手工擰緊的方式進行裝配,裝配中未出現異常,按此裝配的零件順利通過臺架試驗與路試驗證。在生產線改造完成后改回使用電槍擰緊,在首批零件試生產時,有4件前穩定桿連接桿的球銷臺階發生斷裂(圖2),被整體往后推,而之前在手工擰緊時從未發生過,因而需要對此斷裂問題進行分析和研究,找出根本原因并制定改進措施,確保新車型順利量產。

圖2 前穩定桿連接桿球銷臺階示意圖及斷裂照片

1 原因分析

從設計分析、材質檢測、裝配工藝分析三方面來分析球銷臺階斷裂的原因。

1.1 設計分析

采用ABAQUS進行CAE分析。球銷參數:材料為40Cr、抗拉強度為980 MPa、臺階厚度為3.0 mm,螺母規格:六角法蘭面螺母M12×1.25-10級,螺母扭矩范圍為75～95 Nm,在螺母扭矩作用下球銷臺階受到正壓力作用。將螺母扭矩分為5個扭矩點:75 Nm、80 Nm、85 Nm、90 Nm、95 Nm,5個扭矩點產生的正壓力分別為33.6 kN、35.8 kN、38.1 kN、40.3 kN、42.6 kN,將正壓力作用在球銷臺階上計算出應力和安全系數,結果見圖3。由圖3可見,在最大扭矩時安全系數大于1,前期造車也沒有發生球銷臺階斷裂的情況,因而設計滿足要求。

1.2 材質檢測

材質分析按斷口形貌分析、金相分析、化學成分分析、硬度檢測來綜合分析。

1.2.1 斷口形貌分析

用掃描電子顯微鏡觀察斷裂件的斷裂區域,分別得到圖4、圖5、圖6、圖7的顯微圖。綜合觀察圖4-圖7,斷裂區域分為磨損區和未磨損區,裂紋源清晰可見,且裂紋源處磨損嚴重,但未發現原始裂紋、非金屬夾雜、折疊等原始缺陷;未磨損區微觀形貌為撕裂變形韌窩的韌性斷裂[3-4],亦未發現原始裂紋、非金屬夾雜、折疊等原始缺陷,說明無原始缺陷造成斷裂件臺階斷裂。

圖4 斷口形貌(27×)圖5 斷口裂紋源形貌(500×)

圖6 斷口未磨損區形貌(1000×)圖7 斷口未磨損區形貌(2500×)

1.2.2 金相分析

用4%硝酸酒精腐蝕斷裂件臺階圓角處(靠近螺紋的那個圓角),剖切面后進行金相分析,得到圖8、圖9、圖10的顯微圖。按照GB/T 13320—2007標準進行判斷,斷裂件圓角處金相組織為:回火索氏體+顆粒狀碳化物[5-6],組織級別為2級,為正常調質組織,斷裂件金相組織符合要求。

圖9 斷裂件圓角處金相(200×)圖10 斷裂件圓角處金相(500×)

1.2.3 化學成分分析、硬度測試

在斷裂件上取樣進行化學成分分析并隨機測量3個點的硬度,結果分別如表1、表2所示。由表1、表2可知,斷裂件化學成分和硬度符合要求。

表1 斷裂件化學成分分析結果

表2 斷裂件硬度檢測結果

1.2.4 斷裂件材質檢測總結

綜合以上分析,斷裂件臺階斷裂主要為裂紋起始于靠近螺紋一側的臺階圓角處的韌性斷裂,無原始裂紋、非金屬夾雜、折疊等原始缺陷造成的斷裂現象,基體材料非金屬夾雜物控制良好,金相組織為回火索氏體+顆粒狀碳化物,為正常調質組織,化學成分和硬度符合技術要求,因而斷裂件材質滿足要求。

1.3 裝配工藝分析

由于斷裂件是用電槍擰緊時發生的,而前期手工擰緊時沒有發生斷裂,推斷電槍的高速轉動會造成擰緊扭矩波動,可能會導致球銷臺階過載。圖11是未斷裂件、斷裂件的電槍擰緊扭矩監控曲線圖,從中可看出,斷裂件臺階斷裂時扭矩顯示為72.6 Nm,但實際扭矩卻沖到了92 Nm,因而考慮降低電槍轉速[7]進行小批量驗證,是否可解決斷裂問題。

圖11 未斷裂件、斷裂件電槍擰緊扭矩監控曲線

試驗方法:電槍原始擰緊方案為:第一步100轉/分打到30 Nm、第二步60轉/分打到60 Nm、第三步40轉/分打到85 Nm(按中值85±10 Nm打緊);從原始擰緊方案開始試驗,然后根據原始擰緊方案的試驗結果制定第二種擰緊方案的擰緊轉速,以此類推;每種擰緊方案每一步擰緊扭矩目標值(30 Nm、60 Nm、85 Nm)不變,只改變每一步的擰緊轉速;每種方案進行50顆球銷的擰緊試驗并統計斷裂的顆數;若出現球銷臺階不再斷裂的情況則停止試驗(若電槍轉速低于10轉/分仍出現斷裂情況也停止試驗)。

所有試驗結果匯總得到表3。從表3的統計結果看出,電槍擰緊轉速降到方案四的轉速后,總共擰緊了150顆球銷均無臺階斷裂的情況發生,說明方案四的擰緊工藝方案可以解決斷裂問題。但降低電槍擰緊轉速會降低生產節拍,影響產量,不符合生產要求。

表3 不同擰緊工藝方案試驗結果匯總

1.4 原因分析總結

上述從設計分析、材質檢測、裝配工藝分析三方面進行了詳細分析,找到了造成球銷臺階斷裂的根本原因為:電槍的高速轉動造成擰緊扭矩波動,使球銷臺階一次性過載導致韌性斷裂。降低電槍擰緊轉速可解決球銷臺階斷裂問題,但降低電槍擰緊轉速會降低生產節拍,影響產量,不符合生產要求。

2 改進措施

從原因分析可知,降低電槍擰緊轉速可解決球銷臺階斷裂問題,是改進措施之一,但降低電槍擰緊轉速會降低生產節拍,影響產量,不符合生產要求,需要研究其他改進措施。從圖11未斷裂件的擰緊曲線可知,擰緊曲線的上升不平滑,尤其在扭矩超過70 Nm后波動明顯,說明球銷臺階已發生輕微屈服,進而說明1.09的安全系數偏小,需要提高球銷臺階的受載安全系數以解決臺階斷裂問題,方案有:更換使用強度更高的材料、更改球銷結構(圖12)。在綜合考慮了對成本的影響、對周圍零件的影響、對供應商生產工裝的影響、對裝配工藝的影響后得出,增加臺階厚度是最優方案,此方案不會更改到其他零件、無成本變化(成本變化很少而忽略不計)、不影響供應商原有生產工裝、不改變整車原有操控性能、不用重新做臺架試驗和跑路試,因而采用增加臺階厚度的方案。

圖12 球銷結構更改以提高臺階安全系數的方案示意圖

考慮到球銷臺階厚度增加后會改變硬點,在對比分析對標車球銷的結構后,初步按增加0.5 mm、1.2 mm、1.5 mm、2 mm(即臺階厚度分別變為3.5 mm、4.2 mm、4.5 mm、5 mm)來進行研究,并且臺階根部圓角半徑由0.3 mm更改為0.5 mm。下面對這4種改進方案和原方案進行CAE分析、尺寸校核、性能分析及試驗對比(評判標準要求為:即使螺紋斷裂臺階也不能斷裂,即臺階不能出現斷裂,保證足夠的強度和剛度),以便找出合適的改進方案。

2.1 改進方案CAE分析

直接按最大扭矩95 Nm來對原方案和4種改進方案進行CAE對比分析,結果見圖13。由結果顯而易見,臺階厚度越厚安全系數越高。

圖13 原方案和4種改進方案按最大扭矩CAE分析結果

2.2 尺寸校核

球銷臺階加厚后,前穩定桿連接桿總成的長度(上、下球心的距離,見圖14)會發生變化。用三維繪圖軟件UG進行校核,4種改進方案的長度和變化值見表4。由表4可見,臺階厚度增加越多,前穩定桿連接桿總成長度變化值越大,即方案四長度變化值最大(-0.1359,變化百分比為0.05%),但變化值仍然微小,還沒有連桿系統的制造公差大,且連桿系統有橡膠襯套連接,完全能吸收此尺寸變化,不會發生運動干涉,滿足使用要求。

表4 4種改進方案前穩定桿連接桿總成長度變化值分析結果

圖14 連桿長度和上/下球銷示意圖

2.3 性能分析

方案四硬點變化最多,分析方案四的硬點載荷和前軸側傾剛度變化率(前穩定桿-連接桿系統影響的是前軸側傾剛度)即可。采用ADAMS軟件進行分析,原方案與方案四上球銷、下球銷(圖14)硬點載荷、前軸側傾剛度分析結果見表5。從表5看出,硬點變化后球銷載荷是減小的,將有利于連接,使連接更可靠;前軸側傾剛度變化約0.3%,遠遠小于5%的限值,對操穩幾乎無影響。因而改進方案硬點的變化不會引起性能變化過大而不能接受。

表5 方案四硬點載荷變化和前軸側傾剛度變化分析結果

2.4 試驗對比

試驗評判標準要求為:即使螺紋斷裂臺階也不能斷裂,即臺階不能出現斷裂,保證足夠的強度和剛度。試驗方法:采用電槍擰緊,原方案和4種改進方案每種方案各擰10顆,一直擰到球銷臺階斷裂或螺紋屈服伸長為止,記錄球銷臺階斷裂或螺紋屈服伸長時的電槍扭矩。試驗結果見表6。從表6可知,只有方案四(臺階加厚2 mm)滿足臺階不斷裂的要求,其他方案均不能保證臺階不斷裂。方案四最大扭矩與球銷安裝最大扭矩(95 Nm)的比值范圍為:179/95～197/95,即1.9～2.1,說明球銷臺階需能承受約2倍于最大擰緊扭矩以上才能保證擰緊過程不會出現屈服或斷裂的要求。同時在試驗中發現,原方案擰緊扭矩≥105 Nm時球銷臺階100%斷裂(圖15),而方案四擰緊扭矩≥170 Nm時球銷螺紋開始有明顯的頸縮屈服現象,螺紋頸縮后扭矩不會再上升,如果一直擰緊螺紋將不斷被拉長(圖16)。

表6 原方案和4種改進方案球銷擰緊試驗對比結果

圖16 方案四球銷螺紋頸縮屈服現象(被圈那顆是持續擰緊出現的效果)

2.5 改進措施總結

由以上4種改進方案的分析,顯然方案四(臺階加厚2 mm)是最優方案,能滿足各方面要求,所以采用方案四作為改進措施。

3 結論

本文對某車型前穩定桿連接桿在由手工擰緊轉為電槍擰緊后出現球銷臺階斷裂的情況進行了深入研究,發現在球銷臺階安全系數較小時(約1.1),電槍的高轉速造成擰緊扭矩波動,會使球銷臺階受到一次性過載發生韌性斷裂,降低擰緊轉速可解決斷裂問題,但會影響生產節拍而不滿足生產要求。另一方面,球銷臺階安全系數偏低,在擰緊過程扭矩曲線不平滑說明發生了輕微屈服,使斷裂存在一定發生幾率,因而需改進球銷結構提高臺階安全系數;在研究后發現臺階直接加厚2 mm是最優方案,滿足各方面要求。同時發現,提高球銷臺階安全系數到大于1.5,使球銷臺階能承受約2倍于最大擰緊扭矩產生的載荷或以上,才能保證擰緊過程球銷臺階不會出現屈服或斷裂現象,保證擰緊的可靠性,這可作為今后新零件開發的設計指導,作為重要的設計準則,從而提高零件設計的質量及縮短開發周期。