某型轿车用门铰链限位器限位臂断裂分析及其改进

� � 文章编号: 1006�8244( 2009) 01�0018�03 某型轿车用门铰链限位器限位臂断裂及其改进 Improvement and Analysis of Door Check Lever Breakage 桑 � 霏1 � 王海丽1 � 戴 � 琦2 上海交通大学 机械与动力工程学院,上海, 200030; 沙基诺转向系统苏州有限公司,上海, 200233 Sang Fei 1 � Wang H ai li 1 � Dai Qi 2 School of M echanical Eng . , S hanghai J iao T ong Univ . , S hanghai 200030, China; SA GIN A W Steer ing sy stem Co . L td , Shanghai, 200233 [摘要]本文对于某型轿车限位器臂断裂原因从金相组织、机械性能和热处理工艺等方面进行了分析,并提 出了改进措施。 [Abstract] Automobile door check lever breakage is analyzed fr om the aspects o f mechanical pr operty, met� allurg ical structur e and heat treatment. Improved heat treatment process is proposed to solve the problem. � � 关键词:限位臂 � 热处理 � 测试 � � Key words: check lever � heat tr eatment � test � � 中图分类号: U 463. 212 � � � � � 文献标识码: B 作者简介:桑 � 霏, 1 � 引言 限位器是车门上的重要附件,其作用是在门铰 链转动过程中进行位置的限制,其作用行程从门关 闭时为 0度,门开到最大时,限位器工作角度也达到 最大值,从而实现限制功能。本文所讨论的限位器, 用于某家用轿车车门的限位,工作角度范围在 0~ 80度之间,采用弹簧压紧,具有力矩大, 角度准确, 噪音小等优点。 某型号限位器在小批量试制供货后,该限位器 在用户处装车时发生限位臂断裂事故,为查明断裂 原因,本文对失效件截取断裂发生部位材料进行金 相检验,并同时进行化学分析及材料机械性能检验, 通过试验分析得到满足限位器性能的工艺方法。 2 � 限位臂断裂原因分析 为了找出限位器限位臂的断裂原因,作者对限 位臂的金相组织、材料、机械性能进行了分析。 2. 1 � 限位臂金相组织分析 金相组织为铁素体+ 球状珠光体。从宏观断口 观察,具有脆性断裂的特征,裂纹在面萌生,并向 内扩展直至断裂。 2. 2 � 材质分析 该限位臂材料图纸定义为 45# ,经光谱分析成 分如表 1所示。 表 1� 化学成分分析 Table 1 � Chemical composition analysis 名义值 nominal value C 0. 42~ 0. 50 Mn 0. 50~ 0. 80 Si 0. 17~ 0. 37 P: � 0. 035 S : � 0. 035 实际值 virtual value 0. 44 0. 66 0. 25 0. 020 0. 030 � � 由检测结果可见,材料化学成分符合图纸要求。 2. 3 � 机械性能分析 限位臂加工现有流程为: 精冲成型 软氮化( 570 ! 碳氮共渗) 镀锌 图纸要求零件硬度 400~ 470HV,不允许 渗碳 处理,并能通过弯曲试验 � � 由以上数据可见, 经过 570 ! 碳氮共渗后的限 位臂强度过低,不能满足使用要求。弯曲试验也证 实了这一点,限位臂在 45度弯曲时断裂。 ∀18∀ 第 23卷第 1期 2009 年 3 月 传 � � 动 � � 技 � � 术 DRIVE SYSTEM TECHNIQUE Vol. 23� No. 1 March 2009 表 2� 机械性能分析 Table 2 � Mechanical performance analysis 名义值 nominal valu e 抗拉强度: t en sile st rength 700~ 850MPa 屈服强度: yield st rength #490MPa 延伸率: elongat ion #14% 硬度: hardness 400~ 470HV 实际值 virtual value 560 400 33 150 � � 综合以上分析,可以断定限位臂失效的主要原 因是热处理参数设置不合理,造成表面及芯部强度 不足失效。因此应从优化热处理参数入手改善限位 臂的性能。 3 � 限位臂热处理工艺试验及其性能分 析 � � 为确定最佳的热处理工艺,我们对毛坯件、库 存件、库存热处理件分别进行了硬度,金相组织,冲 击试验,拉伸试验。[ 2] 实验样件编号及相应的热处理工艺如表 3 所 示。 表 3� 各样件及相应的热处理工艺 Table 3� Test samples and relative heat treatment method 试验编号 t es tin g number 试验状态 t est condit ion 1 850 ! 加热保温 55分钟,淬油, h eat ing h eated oil qu enching 250 ! 回火保温 95分钟,水冷 t emper h eated w ater cooling 2 850 ! 加热保温 55分钟,淬油, h eat ing h eated oil qu enching 300 ! 回火保温 95分钟,水冷 t emper h eated w ater cooling 3 850 ! 加热保温 55分钟,淬油, h eat ing h eated oil qu enching 350 ! 回火保温 95分钟,水冷 t emper h eated w ater cooling 4 850 ! 加热保温 55分钟,淬油, h eat ing h eated oil qu enching 400 ! 回火保温 95分钟,水冷 t emper h eated w ater cooling 5 850 ! 加热保温 55分钟,淬油, h eat ing h eated oil qu enching 450 ! 回火保温 95分钟,水冷 t emper h eated w ater cooling 6 850 ! 加热保温 55分钟,淬油, h eat ing h eated oil qu enching 500 ! 回火保温 95分钟,水冷 t emper h eated w ater cooling 7 库存件 dep otpart s 8 毛坯件 blank part s � � 对各个样件进行表面及芯部硬度的测定,结果 见表 4: 表 4 � 样件表面及芯部显微硬度 Table 4 � Surface & core hardness (HV) of samples 试验编号 t es tin g number 表面硬度( HV0. 1) surface herdn ess 芯部硬度( H V0. 3) core hardness 白亮层 深度( mm ) 1 532 570 0. 03 2 340 561 0. 03 3 314 520 0. 035 4 417 430 0. 035 5 464 352 0. 035 6 333 300 0. 035 7 335 173 - 8 160 110 - � � 其中, 7 号白亮层不明显,但硬化层深度(白亮 层+ 过渡层)有 0. 1mm, 0~ 6 号过渡层深度无法测 量, 8号毛坯件表面有脱碳 0. 12mm。 表 5 � 表面及芯部金相组织 Table 5 � surface & core metal structure 试验编号 t es t ing number 表面金相组织 surface metallgraphical 芯部金相组织 core melal lgraphical 1 碳氮化合物+ 回火马氏体 surface metallgraph ical carb oni trid e + temper m erten site 回火马氏体+ 屈氏体 t em per martensi te + t roost� it e 2 碳氮化合物+ 回火屈氏体 carb oni trid e + temper t roost it e 回火屈氏体+ 屈氏体 t em per t roost itt e+ t roos t ite 3 碳氮化合物+ 回火屈氏体 carb oni trid e + temper t roost it e 回火屈氏体+ 屈氏体 t em per t roost itt e+ t roos t ite 4 碳氮化合物+ 回火屈氏体 carb oni trid e + temper t roost it e 回火屈氏体+ 屈氏体 t em per t roost itt e+ t roos t ite 5 碳氮化合物+ 回火索氏体 carb oni trid e + tem per s or� bite 回火索氏体 t em per sorbite 6 碳氮化合物+ 回火索氏体 carb oni trid e + tem per s or� bite 回火索氏体 t em per sorbite 7 铁素体+ 球状珠光体 f er riti c+ pearlit ic 铁素体+ 球状珠光体 f errit ic+ pearlit ic 8 铁素体(表面有脱碳) f er riti c ( s urface decarb onz� ing) 铁素体+ 球状珠光体 f errit ic+ pearlit ic ∀19∀ 桑 � 霏等:某型轿车用门铰链限位器限位臂断裂分析及其改进 � � 对其中 1~ 6号样件进行冲击试验,结果见表 6 表 6 � 各试样冲击试验 Table 6 � Impact test 试验编号 t es tin g number 回火温度 t empering temperatu re 冲击值( J) impulse 1 250 28 2 300 16 3 350 25 4 400 40 5 450 55 6 500 57 图 1� 冲击值与回火温度关系 F ig. 1� Relationship of the im pulse value w ith tempering temperature � � 从图中可以看出冲击功随回火温度升高而增 加。 对试样进行的拉伸试验结果见表 7。 表 7 � 各样件拉伸试验结果 Table 7� Tensile test result of samples 试验编号 t es tin g number 状态区分 condit ion separat ing 最大负荷( N) max ∃ load 横截面积( mm2) cross sect ion area 强度 ( MPa) srength 1 250 ! 回火 temper 10873 37. 63 289 2 300 ! 回火 temper 8874 37. 63 236 3 350 ! 回火 temper 10142 37. 63 269 4 400 ! 回火 temper 8776 37. 63 233 5 450 ! 回火 temper 7752 37. 63 206 6 500 ! 回火 temper 7070 37. 63 188 7 毛坯件 blank part 7070 37. 63 188 � � 从硬度检验结果看, 1, 4号样件表面及芯部硬 度符合图纸要求 400~ 470HV; 1~ 6 号样件随回火 温度升高,芯部硬度逐渐降低; 1 号样件表面硬度较 高, 2, 3号样件随回火温度升高硬度迅速降低,这是 由于白亮层碳氮化合物的分解。4, 5号样件表面硬 度又有所回升,这是因为回火温度 ( 400~ 450 ! )正 好是软氮化温度,又重新形成碳氮化合物,并且由于 碳元素的扩散,碳氮化合物含碳量增加,但在 500 ! 回火时( 6 号样件) ,因过热使表面硬度降低。库存 件(软氮化)表面及芯部硬度均较低。 从金相组织看,表面碳氮化合物仍然存在,并且 白亮层厚度增加,但经过淬火,回火后,限位臂整体 强度得到提高;淬火态芯部金相组织有屈氏体,表明 芯部冷却速度较慢。毛坯件表面金相组织显示有脱 碳。1 从冲击试验结果来看,冲击功基本是随回火温 度升高,冲击功增加。1~ 3 号样件 ( 250 ! ~ 350 ! 回火)冲击值出现最低值。4~ 6 号样件冲击值增加 十分明显,可见 1~ 3号样件( 250 ! ~ 350 ! 回火)属 于低温回火脆性区。1 从拉伸试验结果来看, 1~ 5 号样件符合负荷大 于 7000N 的要求,而 6, 7号样件处于极限位置。 综上所述, 4, 5号样件具有较好的强度和韧性, 根据以上实验结果,对限位臂的原热处理工艺进行 了修正,修正后的热处理工艺如下: 850 ! 加热保温 55分钟,淬油, 400 ! 回火保温 95分钟,水冷。 4 � 结论 通过对限位臂断裂原因分析,以及改进热处理 工艺后限位臂性能的分析,可以得出以下结论: 1. 限位臂断裂是由于表面及芯部硬度均较低, 整体强度不足造成。 2. 限位臂毛坯表面脱碳严重 3. 重新热处理后,表面碳氮化合物仍然存在, 并且白亮层厚度增加 4. 经淬火,回火后,整体强度得到提高 5. 250 ! ~ 350 !属低温回火脆性区,应避免使 用该温度回火。 6. 5000 ! 以上回火,韧性较好,但强度不足,不 能满足要求。 7. 4, 5号具有良好的强度和韧性, 采用 850 ! 淬油, 400~ 450 ! 回火快冷工艺可行。 (下接第 28页) ∀20∀ 桑 � 霏等:某型轿车用门铰链限位器限位臂断裂分析及其改进 R2 = 0. 4 0. 3 0. 3 0 0. 3 0. 3 0. 4 0 0. 3 0. 2 0. 5 0 0. 6 0. 2 0. 2 0 0. 5 0. 2 0. 1 0. 1 0. 6 0. 3 0. 1 0 R3 = 0. 2 0. 1 0. 5 0. 2 0. 4 0. 2 0. 4 0 0. 4 0. 2 0. 2 0 0 0. 2 0. 6 0. 2 0. 2 0. 2 0. 6 0 0. 1 0. 3 0. 6 0 � � % 求各方案的模糊综合评价,按 M( ∃ , & ) : 对于方案∋ ,有 B1 = A ∃ R1 = ( b1 , b2 , b3) = (0. 08, 0. 08, 0. 12, 0. 03) � � 式中: bj = &n i= 1 (a ir ij ) � ( j = 1, 2, 3, (, m) � � 对于方案),有 B) = A ∃ R ) = ( 0. 12, 0. 06, 0. 08, 0. 0175) � � 对于方案∗,有 B ∗ = A ∃ R∗ = (0. 08, 0. 04, 0. 12, 0. 04) � � +各方案综合评价指标 B 的比较: B∋ = (0. 08, 0. 08, 0. 12, 0. 03) , B) = (0. 12, 0. 06, 0. 08, 0. 02) , B ∗ = (0. 08, 0. 04, 0. 12, 0. 04) � � 将评价指标归一化,即, B, = b1�m j = 1 bj , b2 �m j = 1 bj , b3 �m j= 1 bj , b4 �m j = 1 bj , � � 得到 3个方案的模糊综合评价指标: B,∋ = (0. 258, 0. 258, 0. 387, 0. 097) , B,) = (0. 428, 0. 214, 0. 286, 0. 072) , B,∗ = (0. 286, 0. 143, 0. 428, 0. 143) � � − 决策 取 B i = max (B,j ) � ( j = 1, 2, 3, 4) � � 三个方案按最大隶属度进行优劣排队,顺序为 ) > ∗> ∋ ,故选第)方案。应用 FCE使多方案解集得 到充分的比较, 为决策创造有利的条件,是设计中选取 最佳方案不可缺少的步骤。 3 � 结 � 论 本文针对微波设备传动装置的设计项目,利用 QFD进行顾客需求的基础上进行了二级质量屋展 开,找出了设计重点和产品的内部矛盾。结合 TRIZ理论,成功破解了技术矛盾和物理矛盾,并利 AHP 权重的 FEC 方法进行方案评价,从而提出了 一种新型传动链结构 ∀ ∀ ∀ 板式链,此种链适应拉压 传动工况,能够很好的满足传动要求。进一步证明 QFD/ TRIZ/ FCE 模型在机电产品开发中的实用性 和可行性。 参 考 文 献 [ 1] � 刘尚明,刘东亮, 刘恒义. T RIZ 理论及其在机械产品创 新设计中的应用[ J] . 现代制造技术与装备, 2007, 183 ( 7) : 43~ 44. [ 2] � 张付英,张 � 卉, 张林静. 基于 T RIZ冲突解决原理的液 压缸活塞密封技术研究[ J] . 润滑与封密, 2006, 180( 8) : 31~ 32. [ 3] � 韩光平,刘 � 凯, 王秀红.基于 QFD/ TRIZ/ FUZZY 集成 技术的微摩擦测试仪力传感器设计[ J] . 传感技术学报, 2007, 20( 2) : 290~ 293. [ 4] � 颤润华.创新设计�T RIZ:发明问题解决理论[ M ] . 北京: 机械工业出版社, 2002: 54~ 58. [ 5] � 林晓宁. QFD 和 TRIZ 集成应用系统的开发 [ D] . 辽宁: 东北大学硕士论文, 2004: 1~ 4. [ 6] � 徐起贺. TR IZ理论的主要内容、特点及发展动向[ J] . 河 南机电高等专科学报, 2007, 15( 3) : 43~ 45. [ 7] � 徐起贺.基于 T RIZ理论的机械产品创新设计研究[ J] . 机床与液压, 2004, 7: 32~ 35. [ 8] � 黄秀芳,王 � 琪. TRIZ 的基本理论及实践[ J] . 机械设计 与制造, 2003, 5: 128~ 130. [ 9] � 洪生伟.质量工程学[ M ] . 北京:机械工业出版社, 2007, 180~ 186. [ 10] � 李 � 秀,应维云, 刘文煌. CIMS 环境下产品质量系统工 程[ M ] .北京: 机械工业出版社, 2004, 172~ 175. [ 11] � 谢庆生,罗延科. 机械工程模糊优化方法 [ M ] . 北京: 机 械工业出版社, 2002, 76~ 86. (上接第 24页) [ 5] � 林逸, 马天飞, 姚为民, 张建伟, 汽车 NVH 特性研究综 述,汽车工程, 2002 [ 6] � 岳奎, 汽车 NVH 特性中的振动噪音分析, 中国科技信 息, 2006 (上接第 20页) 采用改进后工艺生产的新批次零件在主机厂通过试验 并进入了批量供货。 参 考 文 献 [ 1] � 崔忠忻, 刘北兴 哈尔滨工业大学出版社, 金属学与热处 理原理 2007�2�1. 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