摘要：作为制动系统的重要组成部分，重卡的制动器安装在中、后桥上，并通过气室内的高压气体流入执行机构实现制动作用。如气室支架发生断裂，气室的脱落损伤可能造成制动气压不足，进而导致制动失效，危及整车行驶安全。文章针对某驱动桥气室支架断裂问题，通过运用有限元分析、振动试验等多种手段，对其表现的断裂方式进行剖析，并得出适宜的改进方法，使产品的可靠性得到保障。
关键词：汽车底盘；驱动桥；断裂
引言
汽车底盘的作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。某型号汽车底盘在交付使用200km后产生了多次汽车底盘驱动桥断裂事故，所幸并未造成人员伤亡。根据供货方提供的材质和使用说明，汽车底盘驱动桥所选材质为35CrMo钢，加工工艺包括：模锻、粗车、淬火和回火、精车等步骤。
1、试验材料与测试方法
在断裂部位取样，采用电感耦合等离子发射光谱法对试样进行化学成分分析，结果如表1，在表中还给出了国标GB/T3077-1999对35CrMo钢成分的要求[2]，对比分析可知，汽车底盘断裂件的化学成分符合材质要求。采用国标GB/T226-2015对断裂试件进行组织检测；采用佳能5DMarkIV相机对断裂试样的宏观形貌和低倍组织分析；断口形貌采用蔡司SIGMA500型SEM观察，并采用附带IE250X-Max50能谱分析仪对微区进行成分分析；金相试样经过切割、打磨、抛光和4%硝酸酒精腐蚀后，在蔡司Axiovert200MAT光学显微镜上观察；硬度在HVS-1000型维氏硬度计上进行测试。
2、原因分析
2.1、断口分析
支架裂纹边缘呈现撕裂状，断开的支架拼接后，未发缺口，沿焊缝检查，未发现有气孔、夹渣等焊接缺陷。从支架开裂趋势来看，断口边缘30%左右的宽度范围内，断面较新，存在撕裂现象；靠管路一侧70%范围内，呈现分层断裂痕迹，断面较为陈旧。由断裂现象经验判断，断裂属于疲劳断口。
故障发生顺序应为：断裂最早出现于固定支架与管焊接根部，细微开裂损伤出现后，裂纹逐步延伸至支架外表面，之后横向扩展，当延伸长度超出支架宽度70%时，支架剩余金属组织不足以继续承受振动载荷，气室在振动作用下将支架撕裂。
2.2、材料分析
2.2.1、架材质确认该产品采用的材料为20#钢，参照GB/T699标准要求，该材料元素含量为C：0.17~0.24，Si0.17~0.37，Mn0.35~0.65，S≤0.035，P≤0.035。对故障件及同批次产品分别进行取样检测，其中故障件检测结果为：C:0.20，Si:0.18，Mn:0.45，S:0.011，P:0.015，同批次产品元素检测值基本相当，可以认定产品材质未出现异常。
2.2.2、焊接区域硬度
为确定焊接过程未出现异常，对焊缝的相关区域的硬度参数进行测量，确定在焊接过程中未出现过烧产生的脱碳现象、未完全融合等问题。其中管部基材硬度为165、148、147、143、132、135(维氏硬度)，固定支架基材硬度为155、154、148、141、145、131(维氏硬度)，熔合区硬度为292、254、264、272、289、279(维氏硬度)，未处理的20#钢的硬度≤HV165，熔合区硬度应≤HV350，且取样点的检测数据呈现较为稳定的分布，未出现过高或过低的区域，即熔合区过程未出现明显的焊接缺陷。
2.2.3、支架强度验证
首先，针对问题的发生采用普通公路路谱对同批次支架进行了台架试验，试验持续100小时，折合车辆行驶约100万公里以上，未出现断裂故障。然后，采用用户信息重新进行台架试验，支架在振动至15h后，在与故障支架相似位置出现了轻微裂痕。
3、试验结果及讨论
汽车底盘驱动桥断裂部位的宏观形貌见。断口较为平整，裂纹断面可见裂纹扩展痕迹，扩展方向如图中箭头所示，在裂纹断面上还可以发现一条细小的显微裂纹存在，长度约为4mm；断面下半部分区域可以发现锈蚀痕迹。
沿着断裂驱动桥纵向切取长条状低倍试样，在体积比为1∶1的75℃盐酸水溶液中浸蚀20min，低倍组织形貌见图2。可见，在驱动桥试样纵向有明显的黑色条带状组织，且大多沿中心分布，按照国标GB/T1979-2001可知，汽车底盘驱动桥的中心部位存在明显的偏析。
在裂纹断面附近所在区域截取驱动桥剖面试样，经过打磨和抛光后，分别在上表面侧、心部和下表面侧进行显微硬度测试，结果如表2。上表面侧3个点的显微硬度分别为181、174和179HV，中心处3个点的显微硬度分别为190、246和197HV，而下表面侧3个点的显微硬度分别为181、161和178HV。从表2中可以发现汽车底盘驱动桥剖面中心处的显微硬度平均值要高于上表面和下表面，这可能与中心含有较多的珠光体有关，而珠光体的硬度要高于铁素体。
表2裂纹所在断面的显微硬度分布
通过对发生断裂的汽车底盘驱动桥进行宏观、微观形貌观察、硬度分析，可以发现，汽车底盘断口表面出现了垂直断面的小裂纹，该小裂纹的裂纹面与汽车运行过程中的承载应力方向近似平行，说明小裂纹的产生受三向应力的影响，即在与承载界面垂直的应力作用下产生，该垂直应力明显小于加载应力。虽然汽车底盘驱动桥的化学成分符合35Cr-Mo材质的要求，但是小裂纹断口上检查出有密集分布的MnS夹杂物，一定程度上会割裂与基体的连接性，并在车辆运行过程中产生应力集中和裂纹扩展；金相组织观察结果表明，裂纹附近组织为不均匀分布的铁素体和珠光体，其中珠光体条带的密集程度明显高于基体，而基体为均匀分布的铁素体和珠光体。低倍组织中心区域存在条带状组织，因此基体显微硬度较高，这与裂纹附近的组织不均匀性结果保持一致。
对断口焊道处采用体式显微镜拍摄照片，结果显示：在焊道部位存在明显裂纹缺陷，裂纹沿焊缝长度方向分布。裂纹的存在造成应力集中，使疲劳强度急剧下降成为疲劳源，在承受交变载荷循环一定次数后裂纹向周围扩散，最终造成零件断裂。裂纹位于焊道位置，形成于焊接过程中，前述的非金属夹杂物以及焊接过程工艺参数的控制和冷却速度都会导致焊接裂纹的产生。
结束语
汽车底盘驱动桥断裂试样的化学成分满足国标GB/T3077-1999对35CrMo钢成分的要求。汽车底盘驱动桥的中心部位存在明显的条带状中心偏析，金相组织为不均匀分布的铁素体和珠光体，而远离裂纹的基体的组织为均匀分布的铁素体和珠光体；汽车底盘驱动桥剖面中心处的显微硬度平均值要高于上表面侧和下表面侧。汽车底盘驱动桥中部存在密集分布的MnS夹杂物和偏析组织是发生断裂的主要原因；汽车在运行过程中，具有垂直小裂纹的汽车底盘由于承载能力减弱而使得裂纹逐渐扩展，并造成底盘断裂失效。
参考文献
[1]范鹏飞,崔恒然,罗飞.汽车底盘驱动桥断裂分析研究[J].铸造技术,2018,39(01):214-216+219.
[2]李文博,王登平,李林.某驱动桥气室支架断裂分析及改进[J].汽车实用技术,2017(17):152-154.
[3]张书健.汽车驱动桥壳开裂失效分析及改进措施研究[D].重庆大学,2016.
[4]张振华,周彬,王欢锐.某前驱动桥断裂失效分析[J].汽车实用技术,2014(09):91-93.
[5]赵福森.驱动桥壳断裂的失效分析[J].科技信息,2010(32):356.
论文作者:贾东杰 肖清惠
论文发表刊物:《新材料·新装饰》2018年6月上
论文发表时间:2018/11/21
标签：裂纹论文; 硬度论文; 支架论文; 汽车底盘论文; 珠光体论文; 断口论文; 断面论文; 《新材料·新装饰》2018年6月上论文;