【摘要】疲勞是汽車零部件的基礎(chǔ)屬性之一，各類部件的疲勞上限和下限很大程度上影響著汽車性能，了解其疲勞問題、試驗方法是對零部件疲勞屬性進行優(yōu)化的基礎(chǔ)?；诖耍疚囊云嚵悴考谄茐倪^程作為切入點，從宏觀和微觀角度展開分析，再以此為基礎(chǔ)，分別就汽車零部件疲勞分析計算、汽車零部件疲勞試驗設(shè)計、汽車零部件疲勞試驗過程與結(jié)果展開論述，為后續(xù)工作的開展提供參考。

【關(guān)鍵詞】汽車零部件；疲勞試驗；循環(huán)載荷；塑性應(yīng)變；彈性應(yīng)變

零部件疲勞強度是其質(zhì)量的核心指標(biāo)，是指材料經(jīng)無限多次交變載荷作用而不會產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強度或疲勞極限。通常情況下，任何金屬材料都不可能做無限多次交變載荷試驗，當(dāng)其作為汽車零部件投入使用后，會在長期工作中出現(xiàn)種種形變，損傷零部件功能，當(dāng)這種損傷積累達到一定限度，就會出現(xiàn)破壞。疲勞試驗可對零部件的疲勞強度進行測試，了解參數(shù)并尋求改進。

一、汽車零部件疲勞破壞過程

汽車零部件的疲勞破壞可分為多種類型，但其基本原理是相同的，即零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部最高應(yīng)力處的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成較大裂紋，裂紋繼續(xù)擴展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。換言之，零部件的疲勞破壞分為裂紋形成、擴展和瞬斷3個階段。對常規(guī)的疲勞破壞進行分析，可以發(fā)現(xiàn)大部分零部件的初始破壞往往出現(xiàn)于亞表面，即從大晶粒處穿晶斷裂，形成亞微觀的疲勞裂紋，這種裂紋可能十分微小，無法得到發(fā)覺，在零部件持續(xù)工作中，受到外荷載的影響，裂紋會沿切應(yīng)力方向持續(xù)擴大，造成較大的裂紋，使零部件嚴(yán)重破損。

宏觀上看，可著眼于零部件的塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變兩個指標(biāo)。在汽車零部件工作過程中，循環(huán)荷載是持續(xù)存在的，其應(yīng)力水平隨工作態(tài)勢的變化存在差異，當(dāng)應(yīng)力處于較低水平時，零部件的彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，隨著應(yīng)力水平的持續(xù)提升，塑性應(yīng)變不斷積累，漸漸成為主導(dǎo)疲勞破壞的核心因素。因此，單純以塑性應(yīng)變/彈性應(yīng)變的應(yīng)力水平進行疲勞壽命的描述，都是不科學(xué)的。綜合對兩類應(yīng)變進行考慮，可明確一個關(guān)鍵指標(biāo)，即“過渡壽命點”，過渡壽命點P的右側(cè)，表示低應(yīng)力水平循環(huán)區(qū)，是彈性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)的區(qū)域，過渡壽命點P的左側(cè)，表示高應(yīng)力水平循環(huán)區(qū)，是塑性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)的區(qū)域，塑性應(yīng)變（線條1）、彈性應(yīng)變（線條2）和總應(yīng)變（線條3）的壽命曲線如圖1所示。

二、汽車零部件疲勞分析計算

嘗試進行汽車零部件的疲勞分析，首先要明確疲勞破壞的類型，按一般疲勞發(fā)生的態(tài)勢來看，可以將零部件疲勞分為高周疲勞和低周疲勞，“周”即循環(huán)周期，高周疲勞也即長期工作負(fù)載下導(dǎo)致的積累性疲勞破壞，如零部件檢修周期長、工作壓力大導(dǎo)致的壓力性裂紋等。低周疲勞多指負(fù)載驟然加大導(dǎo)致的突發(fā)性破壞，這種破壞的基礎(chǔ)也是小裂紋和一定的工作疲勞，因此不考慮純粹的撞擊破壞。

以不同的工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)，汽車零部件的疲勞破壞還可以分為高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞和隨機疲勞，高溫疲勞是指作業(yè)溫度較高情況下，零部件出現(xiàn)的破壞，較為典型的是形變和衍生裂縫。低溫疲勞與之對應(yīng)，汽車零部件在低溫環(huán)境下脆性增加，機械強度會出現(xiàn)下降。熱疲勞是指與汽車電力系統(tǒng)存在連接的部件，在電力影響下出現(xiàn)的氧化等問題。腐蝕疲勞是指在汽車零部件工作中被酸堿物質(zhì)、水侵蝕造成的破壞。接觸疲勞是指啟動、使用過程中，互相產(chǎn)生摩擦、碰撞導(dǎo)致破壞的零部件。隨機疲勞是指不帶有規(guī)律性的零部件疲勞破壞情況，可與上述疲勞情況共同存在。

在工程中應(yīng)用的疲勞壽命估算方法有兩類，一類是常規(guī)疲勞設(shè)計中根據(jù)S—N曲線，應(yīng)用線性疲勞累積損傷理論進行壽命估算，這種方法稱為名義應(yīng)力法，得到的是總壽命。也即圖1所示的塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變和總應(yīng)變壽命曲線，評估結(jié)果帶有宏觀價值，能夠直接指導(dǎo)后續(xù)的零部件優(yōu)化作業(yè)。另一類是用局部應(yīng)力一應(yīng)變法估算裂紋形成壽命，用斷裂力學(xué)估算裂紋擴展壽命，兩者之和為總壽命，該方式需要通過復(fù)雜的參數(shù)計算和模擬試驗進行分析，試驗一般包括開放性、約束性兩種。開放性試驗取固定的試驗對象，不斷增加外荷載，模擬工作態(tài)勢，了解零部件出現(xiàn)疲勞破壞的時間，約束性試驗取固定的疲勞破壞級別，通過調(diào)整負(fù)載的方式了解該級別下汽車零部件的工作情況。目前，國內(nèi)部分機構(gòu)以零部件疲勞試驗臺架進行汽車零部件的性能測試，收效較為良好。

三、汽車零部件疲勞試驗設(shè)計

對汽車零部件進行疲勞試驗，一般需考慮零部件的受力態(tài)勢，由于相當(dāng)一部分零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜（復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件也往往是疲勞試驗的主要對象），需應(yīng)用有限元分析法，對零部件不同受力區(qū)域進行劃分。以零部件疲勞試驗臺架作為測試設(shè)備，還需要進行參數(shù)的處理，在本次試驗設(shè)計中，零部件疲勞試驗臺架的各項參數(shù)如表1所示。

以控制臂總成的疲勞分析為例，控制臂總成是安全部件，多位于汽車底盤處，在有限元分析法下，對其不同結(jié)構(gòu)進行分析，采用SOUD模型，同時采用四面體單元劃分網(wǎng)格。單元長度為5.5mm，節(jié)點數(shù)23245，單元數(shù)69955?？紤]到控制臂總成在實際工作中不是獨立工作的，對其邊界效應(yīng)進行分析，額外增加4個彈簧元，材料特性彈性模量取實測值，固定為2.08105N/mm2，泊松比默認(rèn)為0.27，邊界約束采用放松自由度與彈簧元處理，載荷大小為5.4kN。該控制臂為焊接結(jié)構(gòu)，分上下兩個沖片，以橡膠襯套和球絞與其他部件相連，疲勞試驗要求考察控制臂的疲勞裂紋破壞情況，采用名義應(yīng)力法計算疲勞壽命，有限元建?？刂票鄣膸缀文Ｐ?，通過CAD軟件生成，然后由MSC/PATRAN讀入。

四、汽車零部件疲勞試驗過程與結(jié)果

疲勞試驗的主要目的為考察控制臂總成在汽車加速和制動情況下的耐久性，分為三組，第一組為開放性試驗，了解控制臂總成在不同工作態(tài)勢下，是否出現(xiàn)疲勞破壞。默認(rèn)載荷頻率為1Hz，波峰為+1，波谷為-0.799，振幅默認(rèn)為5.2kN（正弦載荷），試驗中累計模擬震動2.8105次，左右兩側(cè)控制臂默認(rèn)為2個。4個樣本的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

從試驗結(jié)果上看，當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過900000次時，樣本會出現(xiàn)斷裂；當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過800000次時，樣本出現(xiàn)裂紋；當(dāng)循環(huán)次數(shù)低于800000次時，樣本完好。這表明汽車零部件疲勞破壞受到循環(huán)壓力的顯著影響。

在此基礎(chǔ)上，進行第二組試驗。第二組試驗為約束性試驗，將默認(rèn)參數(shù)代入有限元模型中，設(shè)置約束條件為控制臂總成性能完好，變量條件為負(fù)載值，默認(rèn)載荷頻率為1Hz，波峰為+1，波谷為-0.799，振幅默認(rèn)為5.2kN（正弦載荷），試驗中累計模擬震動2.8105次，左右兩側(cè)控制臂默認(rèn)為2個。4個樣本的試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

從結(jié)果上看，在約束性試驗下，樣本的工作態(tài)勢同樣與工作負(fù)載直接相關(guān)，工作壓力越大，其破壞情況越嚴(yán)重。第三組試驗主要選取加工尺寸、處理工藝不同的材料進行試驗，試驗結(jié)果上看，不同尺寸和工藝下，樣本的疲勞強度也存在差異，其基本變化的規(guī)律性為：尺寸上越規(guī)范、表面處理工藝越理想（毛刺少），零部件的應(yīng)力分散越平均，其疲勞壽命越理想。試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

五、試驗分析

對三組試驗進行分析，獲取汽車零部件疲勞影響因素和應(yīng)對方法如下。

（一）汽車零部件疲勞影響因素

汽車零部件疲勞影響因素包括三個方面，一是平均應(yīng)力，二是應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，三是尺寸和加工工藝。平均應(yīng)力的影響在第一組、第二組試驗中體現(xiàn)得較為明顯，無論采取何種試驗方式，性能相近的零部件均會在持續(xù)的工作壓力下出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。所生成的材料特性曲線，都是在對稱循環(huán)下的材料疲勞曲線，各類零部件在實際工作中面臨的載荷是極為復(fù)雜的，隨機疲勞的存在也會增加零部件的破損的可能。

應(yīng)力集中和應(yīng)變集中的影響，分別體現(xiàn)在高周疲勞和低周疲勞兩個方面。在零部件的截面幾何形狀突然變化處，容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。從控制臂疲勞試驗上看，應(yīng)力集中的部分，基本上是疲勞容易發(fā)生破壞的區(qū)域。如控制臂總稱的轉(zhuǎn)彎處，在有限元分析中，發(fā)現(xiàn)其受力水平為兩端的2.5倍以上，在制動過程中則可能達到兩端受力水平的3.5倍以上，導(dǎo)致長期工作疲勞累積，出現(xiàn)裂紋和斷裂。應(yīng)變集中則會導(dǎo)致低周疲勞，主要體現(xiàn)在一些荷載驟然增加的情況下。尺寸和加工工藝的影響相對較小，該問題目前來看是相對可控的。

（二）汽車零部件疲勞影響因素的應(yīng)對方式

嘗試提升汽車零部件疲勞壽命，應(yīng)對上述問題，可就三個方面入手，一是合理進行選材，二是加強表面處理，三是優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)。選材方面，要求注意滿足靜強度要求，同時確保材料具有良好的抗疲勞性能。從試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，所有零部件的使用都不可避免地存在老化問題，但在兩個核心指標(biāo)（塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變）上，質(zhì)地越優(yōu)良，零部件疲勞極限越高?？赏ㄟ^材料疲勞性能曲線進行性能分析，合理選材。此外，平均應(yīng)力試驗下所獲結(jié)果往往較實際結(jié)果偏大，所獲的零部件壽命因此較長，需要在實際工作中給予考量。

表面處理上，可通過噴丸工藝進行冷加工，提高疲勞強度，降低零部件受載時表層的最大拉應(yīng)力，從而提高零部件的壽命。此外，傳統(tǒng)的淬火、滲碳以及新式的氮化工藝，能夠提升汽車零部件表面熱處理的效果，使零部件表層硬化，表層產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力，提高疲勞強度。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面，受零部件上的應(yīng)力梯度、拋光水平影響，其表面的工作性能存在差異，可能導(dǎo)致工作中出現(xiàn)應(yīng)力方面的無序變化，導(dǎo)致疲勞極限降低，可給予針對性加強，同時針對一些容易出現(xiàn)斷裂的危險部位，如控制臂的局部過渡等進行優(yōu)化，提升零部件的疲勞性能。

六、結(jié)語

綜上，汽車零部件疲勞問題不可避免，通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，零部件疲勞的影響因素是相對固定的，包括平均應(yīng)力、應(yīng)力集中和應(yīng)變集中、尺寸和加工工藝三個方面。為求優(yōu)化零部件性能，在后續(xù)工作中，要求合理進行選材，同時加強零部件表面處理，并在不影響其功能的情況下，對零部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以綜合應(yīng)對上述問題，優(yōu)化零部件性能。

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作者簡介：劉松（1978.08—），男，漢族，湖北武漢人，本科，高級技師，研究方向：汽車變速箱、底盤零部件試驗。