林展祺,高康,王国芳,周亦泉

(广东省肇庆市质量计量监督检测所,广东肇庆 526060)

0 引言

汽车支撑配件(以下简称“支撑件”)作为车辆最重要和最基础的部件之一，它对安全使用车辆起到关键作用。汽车在各种不同状况的道路上行驶，经常容易遭受不同程度的振动冲击，支撑件在汽车行驶过程中承受振动冲击及交变拉压载荷，容易出现疲劳失效现象，进而诱发断裂破坏的风险。据统计支撑件的失效有80%是由疲劳引起，对汽车的安全行驶产生了威胁，具有很大的危险性，容易造成车毁人亡的恶性事故。相关研究表明，振动是导致支撑件疲劳的关键因素之一，因此研究振动对其产生的影响以及疲劳裂纹产生的原因，并提出有效改进措施，对增强支撑件的安全性和稳定性具有重大意义，不仅可以提高其寿命，减少事故的发生，而且能够降低生产成本并产生巨大的经济价值。

1 汽车支撑配件的振动疲劳试验

1.1 国内研究的现状与基础

目前，国内对振动引起支撑件疲劳问题的研究还在初级阶段，对其内在机制、模型的认识还在初步探索阶段，研究工作主要以实验为主，通过实验数据和相关现象进行总结归纳，进而形成理论基础。用于支撑件振动疲劳实验的设备主要是各种振动台，如电磁式振动台、电动式振动台，对支撑件振动疲劳研究采用的典型方法是用一定数量的典型支撑件在电磁振动台进行疲劳实验，通过对试样施加恒定载荷、设置固有共振频率，采用定频试验的方法对试样进行激励，并测定其谐振频率降低作为疲劳裂纹扩展的判定依据[1]，依据实验得出的数据和相关资料对支撑件疲劳裂纹产生的原因进行分析研究，进而提出相应的解决措施和方法。下面将抽取典型的支撑件试样按上述程序进行实验，通过实验数据分析支撑件疲劳裂纹产生的原因，并提出改进措施。

1.2 振动疲劳试验方法

按照支撑配件寿命设计的要求，施加恒定载荷，设置固有共振频率，采用定频试验的方法对试件进行激励，随着试验的进行和结构的疲劳，将会导致试件结构刚度的下降，从而使固有频率和振型发生变化，且与原始设定的激励频率和共振区域发生偏离[1]。根据试件产生疲劳与所受载荷值关系曲线的变化，借助断裂力学失效的准则，如果试件在设定的条件下完成试验，试验载荷曲线保持在上下幅值范围波动，则可判定试件通过试验未产生疲劳裂纹，符合使用寿命设计要求；如果试件在试验过程中载荷值出现缩减下降且幅度超出设定限值，严重偏离共振区域，则可判定试件产生疲劳，可依据变化的趋势确定其使用寿命。文中振动疲劳试验采用跟踪控制技术设定停机标准，停机时所经历的振动频次即为振动疲劳的试验寿命，此方法结合理论与实际使用进行仿真试验，为试件的振动疲劳寿命的判断提供了可靠的理论依据。

试验在PLS-200三通道疲劳试验机上进行，通过数字振动控制系统进行控制和对载荷力传感进行应变测量，系统能保持实时的共振状态和载荷稳定，对瞬时的少许扰动变化能自动识别响应并迅速恢复至初始的恒定状态，从而保证试验过程的连续性。试件为如图1所示企业大批量生产的汽车支撑配件，材料为铝合金，按指定轴向用专用夹具将试件紧固在振动台。依据设计要求，对预估最大受力位置的X轴向施加载荷进行单向振动破坏试验，试验参数设定如下：施力负荷±6 000 N，峰值±7 200 N，谷值±500 N，频率1 Hz，总频次50 000次，控制系统完成设定总频次或监测到激励载荷连续高于峰值低于谷值时，机器自动停机试验停止。为降低试验过程中不确定因素的影响，除了观察曲线图是否异常，还每隔60 min停机一次检查夹具紧固件有无松动、试件是否发生移位破坏等，以保证试验的顺利进行[2]。

图1 铝合金支撑配件

1.3 振动疲劳试验结果

文中对图1所示编号为1#、2#、3#的3个试件进行三组独立试验，试验结果得到时间进程与激励载荷的关系曲线图谱。三组试件均在设定参数下完成振动试验，试验过程频率恒定，无夹具松动、试件移位等不确定因素的影响，试验结果可靠。1#、2#试件整个试验进程载荷曲线没有较大的跳跃波动，均在设定的负荷幅值范围内保持，试验结束前曲线截图分别如图2和图3所示；3#试件试验结果显示，在试验进程10 h内载荷曲线也在设定的负荷幅值范围内保持，之后载荷曲线波动幅值逐渐收窄，到10∶47∶00时负荷已从设定的负荷±6 000 N衰减至±4 300 N，如图4所示；当试验时间继续进行到11∶47∶00 时载荷衰减至峰值不足+4 000 N、谷值为-2 000 N左右，如图5所示。依据断裂力学失效的准则，结合试验结果的曲线图谱进行分析，1#、2#试件在设定参数内完成试验，频率和载荷稳定，图谱曲线正常，可见试件未产生疲劳裂纹缺陷，满足设计寿命要求；3#试件试验中后段曲线波动幅值明显收窄，激励载荷值大幅衰减，可见试件已经产生疲劳，刚度正在降低，随着疲劳试验的继续，激励载荷将急剧下降，当疲劳扩展到临界点，很快发生疲劳裂纹断裂失效，3#试件不满足设计寿命要求。

图2 1#试件振动曲线

图3 2#试件振动曲线

图4 3#试件振动曲线图(1)

图5 3#试件振动曲线图(2)

2 裂纹产生的原因分析

通过对3#试件进行分析，利用目视和放大镜观测其表面并无明显裂痕或未浇足的情况。通过工业CT进一步对其分析，发现其内部存在一呈圆形的孔洞，并有裂纹沿孔洞向一个方向扩展。初步分析发生疲劳断裂失效的主要原因为内部孔洞所致[3]，其他原因可能包括浇注温度和浇注时间[4-5]。

通过跟踪该型号支撑件的实际生产，记录了45件支撑件生产过程的工艺，主要记录了支撑件生产过程中浇注的温度、时间，工业CT分析其是否存在孔洞，最后通过振动疲劳试验方案观察是否发生疲劳断裂失效，结果见表1。

表1 支撑件浇注过程工艺数据统计

由表1可看出，45件支撑件中有5件支撑件通过抗振疲劳试验后发生疲劳断裂失效。将这45件中所有发生疲劳断裂失效的支撑件的浇注温度和浇注时间统计,可以得出发生疲劳断裂失效的支撑件的浇注温度为744、715、712、676和677 ℃，而浇注时间则分别对应为：64、93、66、116和98 s。

通过分析上述数据可知，浇注温度、浇注时间和是否发生疲劳断裂失效没有明显的相关性，所以可以认为，在目前的生产工艺之下，在690～730 ℃的浇注温度和80～110 s的浇注时间范围内，浇注温度和浇注时间并不是支撑件是否发生疲劳断裂失效的重要因素。

接着对这45件中所有发生疲劳断裂失效的支撑件和支撑件是否有孔洞进行统计，发现45件支撑件中存在孔洞的有10件，发生疲劳断裂失效的有5件，占比为50%。而其余没有孔洞的支撑件也没有发生疲劳断裂失效，占比为0。

由表1可看出，所有发生疲劳断裂失效的支撑件内部都存在孔洞，因此可以认为支撑件发生疲劳断裂失效决定性因素为其内部存在孔洞，为了进一步确定支撑件内部孔洞情况对疲劳断裂失效的影响，再次通过分析工业CT图像结果见表2。

表2 支撑件CT图像数据统计

由表2可以看出，支撑件内部的孔洞大小对是否发生疲劳断裂失效有明显的相关性，孔洞越大发生疲劳断裂失效的概率越大。当孔洞最大直径小于1 mm时基本不会发生疲劳断裂失效；当孔洞直径大于1.5 mm时，发生疲劳断裂失效的概率大大增加。

3 改进措施建议

细小的孔洞是汽车压铸零部件存在的主要内部缺陷，它严重影响着零部件的性能参数，其中对疲劳性能的影响起着关键作用。汽车压铸零部件的疲劳性能与孔洞缺陷及微观组织特征有很大关系。孔洞数量比较多的汽车压铸零部件，它们的分散程度对疲劳性能的影响，主要跟孔洞的数量和尺寸有关；孔洞数量比较少的汽车压铸零部件，它们对疲劳性能的影响较小，其影响疲劳性能的因素除了孔洞之外还跟其他微观组织如枝晶间距、氧化膜、相粒子、晶粒大小等有关，由它们的特征决定[6-7]。

汽车压铸零部件细小孔洞等缺陷的存在，尤其在高应力情况时表现得比较突出，既加速萌生出疲劳裂纹，又对疲劳裂纹的扩展起到了促进作用，严重缩短了汽车压铸零部件的疲劳寿命。研究表明，汽车压铸零部件的疲劳性能除了跟缺陷尺寸的大小有直接关系，还跟内部缺陷的位置分布有一定的联系，对于压铸零部件表面浅显位置，而且距离浇道口处比较远的区域有比较好的疲劳性能；而在距离压铸零部件靠近内部中心位置，而且距离浇道口处比较近的区域疲劳性能则相对较差[8]。造成汽车压铸零部件生产过程中产生孔洞等缺陷受诸多因素的影响，要想找到解决问题的办法必须找出造成缺陷的根本原因。首先，在辅助用料方面，保证汽车压铸零部件熔炼时的精炼除气质量，选用好的精炼剂、除气剂，降低金属溶液中气体的含量，对液面中的浮渣、泡子等氧化物采取及时清理措施，阻止将气体又一次混合进溶液内，带入模腔；对脱模剂采取优中选优，使用的脱模剂既能保证在浇灌过程中没有气体产生，而且对脱模又能起到很好的促进作用；采用发气量小的涂料，涂料用量薄而均匀，燃尽后再让铝液填充。第二，在控制模具内腔排气方面，应充分考虑模具的排气速度，保证排气通顺，型腔内的气体能排尽，关键是在金属溶液后聚集区域位置排气通道应根据流经浇道情况及时保持畅通，不应出现浇道口相互堵塞的情况；汽车压铸零部件浇灌工艺过程中，金属溶液进入模腔内的流动状态一般是紊流，此种状态一般不可能改变为层流模式，只能对给料系统进行适当的改进，降低浇灌时金属溶液在浇注口位置气体的夹带量。第三，在浇注系统设计方面，考虑适合排除气体的浇注口位置，设置合理的浇道形状进行导流，在型腔内采取先近后远，自下而上逐步推进的导流模式，不能出现因上封闭分型面先填充，而导致下封闭分型面无法排除气体的情况；直浇道的导流截面积应尽可能比内浇口截面积大些，腔体深处再增设排气塞，采用镶拼的形式增加型腔内排气量；在达到成型良好的压铸条件下，一般选用较小的压室，增大内浇口厚度来降低填充速度，提高压室充满度。

4 结束语

文中通过对汽车支撑配件产生疲劳裂纹成因的研究，采用定频试验的方法进行振动疲劳试验，对支撑件的浇注温度、浇注时间和孔洞进行分析，得出疲劳断裂失效的原因与孔洞有显著关系，对此提出相应的改进措施，有效减少支撑配件产生疲劳失效的现象，大大降低断裂风险，且能够完善和丰富现有的疲劳裂纹机制研究，为发展创新汽车铸造件的设计和工艺提供重要的理论指导，对提高汽车支撑配件的制造质量具有重要的研究价值和科学意义。