李杰， 屈军坡， 王玉良

（郑州宇通重工有限公司，郑州 450000）

1 引言

托叉是清障车连接事故车的主要受力件。托叉在行驶作业过程中，既承受着事故车辆的大部分重量，同时还要承受由于车辆制动、上下坡等路况引起的多种复杂交变应力，这就要求托叉必须具有承载能力高、抗疲劳的特点。托叉工作状态见图1。清障车在用户使用过程中托叉销轴发生了断裂，托叉销轴采用的材料为40Cr，销轴进行了调质处理。我们对其材料成分、结构等进行分析，以了解其断裂原因。

图1 托叉工作状态

2 原因分析

2.1 材料分析

若所用材料含碳量过低，易于造成材料的强度和硬度不够，若材料含碳量过高则材料的塑性、韧性降低，将影响承受冲击载荷的能力；Cr含量偏低则调质过程中易于形成贝氏体和屈氏体组织。理化室在销轴断裂处进行了化学成分分析，分析结果证实所采用的材料成分符合GB/T 3077-1999对40r材料的成分要求，见表1。

托叉销轴要求调质处理，硬度要求为245～295 HRC，经测量硬度达到其设计要求。

表1 托叉轴材料40Cr化学成分分析 /%

2.2 强度校核

式中，F-紧急制动下的车辆的冲击力；l-托叉悬臂部分的尺寸；W-球销计算截面的弯曲截面系数；σs-材料的屈服极限，40Cr为 550MPa；ns-安全系数，取 1.7。

强度校核表明40Cr能够满足其托叉的使用要求。

2.3 裂纹端面分析

断裂处位于设计过渡圆角处，因加工的原因造成此处无明显圆角，断裂处有几道裂纹。

从端面形状可分为三个区域：即裂纹源区、扩展区和瞬断区。上下比较平坦为疲劳区，属典型的疲劳断裂，销轴断裂始于焊接加工轴肩处，在轴肩齐处断裂见图2，表明有应力集中现象。

图2 断裂面

2.4 结构分析

该销轴在设计上出于成本考虑没采用整体加工，而采用两零件焊接而成，见图3；销轴与圆板通过上下焊接连接为一体，下面焊接处通过焊后加工从而形成R1的轴肩的过渡圆角。

因托叉销轴焊后机加存在一定的难度，在机加过程中很难保证R1的过渡圆角，易造成应力集中；实际观察断裂的托叉其轴肩处本应预留R1的圆角成为光面，是该托叉销轴处断裂的主要原因。

该焊接销轴上下进行圆周焊接，40Cr钢是中碳低合高强钢，碳元素含量在0.37%～0.44%之间，是一种淬硬倾向大、焊接性能差的钢材，极容易在热影响区中产生裂纹。焊接后，产生的热量迅速扩散出去，焊接处快速冷却，生成大量的高碳马氏体，脆化性大，从而引起应力集中，易于在焊接处产生焊接裂纹。裂纹在在突变冲击力作用下逐渐扩展并产生疲劳断裂。

图3 托叉销轴原结构

3 结构改进

由托叉销轴的断裂情况分析可知，应力集中是造成销轴断裂的主要原因。对原造成应力集中结构进行了更改，托叉销轴改进结构见图4。

图4 托叉销轴改进结构

（1）销轴轴肩处圆角由原设计的R1更改为R3，圆角由焊后加工而成更改为焊前加工，这样更能保证圆角处光洁度，减少应力集中。（2）应力集中处由最大受力处更改为非最大受力处。（3）因圆板在该结构中仅起到支撑的作用，为减少销轴的焊接量，上下焊接更改为上面焊接，上面销轴轴径大，焊接对结构的影响不大，下部不焊接，从而避开最大受力处因焊接产生的应力集中。

4 结论

（1）销轴断裂主要原因在于应力集中，因此销轴在设计加工过程中应尽量避免应力集中，圆角设计要合理，加工表面要光洁；操作手册及培训用户时严格要求用户按规范操作，切不可超载、违规操作。

（2）经过改进后的托叉销轴在使用中再没有出现断裂，改进后的结构也不是最优的，批量生产时，应考虑此零件更改为锻造件。