背景概况

汽车前轴作为整车最重要的锻件之一，承受着较大载荷，使用环境和工况复杂。前轴在汽车行驶中承受着交变应力、力矩及变形力的作用，如果前轴的疲劳性能达不到标准，将有可能造成严重后果，带来巨大损失，所以前轴的疲劳性能已成为评价锻件质量的主要指标。

某前轴在台架疲劳试验中，发现前轴座板背部出现早期断裂现象。常规研究前轴疲劳失效的方法主要是对失效前轴进行理化检测，探究表面质量、内部微观组织以及力学性能等对前轴疲劳性能的影响，进而通过调整和优化工艺来提高前轴疲劳寿命。

本文则是从另外一个角度进行疲劳强度分析验证和探究，以期发现提高前轴疲劳寿命的其他方法和手段。

某型前轴台架疲劳寿命试验

按照国家QC/T 483-1999《汽车前轴疲劳寿命极限》和QC/T 513-1999《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》，在疲劳试验台架上对开发的前轴进行台架疲劳试验，在前轴的两端安装转向节，并在两侧轮距位置设置固定块。按照《汽车前轴台架疲劳寿命试验方法》对前轴进行加载，垂直载荷为交变载荷，其范围为9.8×103～6.86×104kg，试验频率为5Hz，垂直载荷作用于前轴座板处。

台架试验的前轴材料为40Cr，样品为3件，试验结果是分别在30万次、36万次、20万次的循环载荷时，前轴座板背部和工字筋处断裂。采用理化分析方法对该前轴进行失效分析，结果表明前轴的化学成分、金相组织、硬度均符合技术要求，工件的表面质量总体尚可，无明显锻造缺陷。现采用有限元的方法对前轴进行结构受力分析。

针对上述情况，用有限元法模拟台架试验，对前轴进行静力学强度计算。

首先将如表1所示的40Cr材料模型，导入到有限元模拟软件中，并对前轴模型进行网格划分个模型主要采用体单元，共计15932个节点。

前轴等效应力分布状态，从静力计算结果看，在前轴座板背部出现明显的等效应力集中区。在模拟的交变载荷作用下，出现裂纹并断裂，这与台架试验中的断裂位置也基本吻合。为此进一步进行受力分析，并对前轴结构进行适当改进。

前轴应力分析及结构改进

前轴受力简图如图5所示，前轴座板在垂向力G1作用下，A-A截面承受垂向弯矩。在台架疲劳试验循环至满载情况时，前轴所受载荷突然加大，此时前轴应力集中最严重。工字筋及座板上表面均受到压应力，而工字筋以及座板下表面受到拉应力。拉应力会使得前轴表面裂纹萌生并扩展。

这里M和T分别为弯矩和扭矩。根据第四强度理论，前轴的合成应力为：

可以看出，要使应力减小，需要Wx增大。因而在设计时，将工字梁的抗弯截面模量提高，可使前轴的应力水平降低。

针对以上分析及前面台架试验和理论计算的结果，对前轴座板截面进行调整，再进行有限元静力学分析，对改进设计的前轴进行评估。

结论

⑴通过有限元受力分析和试验，验证了理论分析和试验结果的基本一致性。通过对前轴结构进行优化改进，是可以提升其疲劳寿命的。

⑵在精确建模的基础上，模拟计算前轴的结构强度，找出其结构上的薄弱环节。通过结构性的设计改进，应可以进一步提升其疲劳性能，包括对工字筋、弯部等截面的优化（生产企业与主机厂需达成一致，兼顾产品轻量化）。

⑶锻造工艺应科学合理先进，前轴产品的表面质量和内在质量应当保证，如锻件应光亮饱满、过渡流畅、切边平整、内在组织等机械性能优良。