袁成逸，徐文雷，胡治春，冯雪桥，阳大云
(吉利汽车研究院（宁波）有限公司，浙江宁波315336 )
摘要：汽车发动机右悬置支架及螺栓在试验场进行综合耐久试验时发生断裂失效。通过宏观
检查、断口形貌、化学成分、金相组织及硬度等测试方法，分析了悬置支架和螺栓的断裂失
效模式，并采用数值模拟方法进一步分析了断裂失效的原因。结果表明：悬置支架在交变载
荷作用下，接触面之间发生相对滑移，导致连接螺栓发生疲劳断裂，最终导致悬置支架的断
裂。
关键词：铝合金；悬置支架；断裂失效；数值模拟
悬置支架是汽车发动机动力总成悬置系统的核心部件，它的主要功能是弹性支
承发动机，有效隔离地面向发动机总成传递的振动以及发动机向车身传递的振动〜1。
因此，悬置支架对汽车行驶的安全性、稳定性和舒适性产生很大的影响[441。
为实现节能环保，汽车轻量化越来越受到重视。铸造铝合金具有比强度高、成
形工艺性能好、耐腐蚀性能优且可回收再利用等特点。因此，采用铸造铝合金代替
传统球墨铸铁制作悬置支架已被广泛应用到汽车行业中。等人对铝合金A356.2
的挤压铸造工艺进行了研究，优化工艺后的悬置支架各项性能指标均满足设计要求m。
Dong-ha Kang等人采用先进高真空压铸工艺（HLVD)制造的括合合A365.0悬置支架
与传统压铸工艺相比，在满足强度与刚度的情况下，重量可减轻23%18]。
某型号汽车发动机右悬置支架及螺栓在试验场进行综合耐久试验时发生断裂失
效，该悬置支架材料为AlSi9Cu3Fe，主要生产工序：配料―熔化—保温—浇注—合
模—压铸成形—开模取件—去浇口。所用螺栓的材料为35CrMo，强度等级为10.9
级，主要生产工序：球化处理—剥壳除磷—拉拔—冷镦成形—螺纹加工—调质处理
—
表面处理。为查清悬置支架及螺栓断裂失效的原因，对其进行了理化检验与分
析，并采用数值模拟方法进一步分析了断裂失效的原因。
作者简介：
袁成逸（1985-)，男，硕 士，主要研究方向为汽车 金属材料工艺、组织、性 能表征及断裂失效分析。电话：133********,E-mail:1分析方法
采用SX301S型数码相机进行宏观检查；采用Teneo型FEI场发射扫描电子显微镜 进行微观断口形貌观察；采用SPECTROMAXxMM16直读光谱仪测试化学成分；采 用Axio M2m型蔡司金相显微镜进行金相组织分析；采用HBE-3000A型电子布氏硬度 计进行硬度测定；采用ABAQUS模拟软件对发动机右悬置支架进行结构强度的模拟
290126204@qq分析。
中图分类号：TG245
文献标识码：B
文章编号：10014977(2021) 05-0615-06
收稿日期：
2020- 10-25收到初稿，2021- 01-05收到修订稿。2试验与模拟结果
2.1宏观观察
图la为断裂发动机右悬置支架的宏观形貌，悬置支架在4区发生断裂，/J区螺栓 发生断裂。悬置支架与螺栓法兰面接触区域（fi区）宏观形貌见图lb，可以看出明显 的滑移磨损痕迹。B区断裂螺栓的宏观形貌见图l c，将其拼接在一起可见螺栓发生了 弯曲。
616
工艺技术
V o l.70 N o.5 2021
(a )
断裂悬置支架(b )
悬置支架与螺栓法兰面接触区域
（c )
断裂螺栓
图
1
断裂悬置支架
与
螺
栓
的
宏
观
形
貌
Fig. 1 M a c r o s c o p i c m o r p h o l o g i e s o f fractured m o u n t i n g bracket a n d s c r e w bolt
2.2断口分析2.2.1螺栓断口分析
B 区断裂螺栓的宏观断口形貌如图2所示，根据断
裂纹理可将断口分成四个区域。螺栓断裂的微观断口 形貌如图3所示，裂纹起始区域1主要以韧窝形貌特征 为主（图3a )，符合螺栓弯曲在该区域产生极值拉应 力瞬时拉开的断裂特征；区域2、3的微观断口均为疲 劳断裂特征形貌，见图3b 、c ；最终断裂区域4主要以 韧窝形貌特征为主。表明螺栓先发生弯曲产生撕裂， 接着发生双向疲劳裂纹扩展，扩展到一定阶段后在外 载的作用下发生断裂。2.2.2悬置支架断口分析
图4示出了发动机右悬置支架的宏观断口形貌，断 口截面呈纤维状，无明显疲劳特征，人字纹尖端指向 裂纹源，图中标出的类似折叠的断口形貌是由两个裂
纹源扩展汇聚所形成的。
图5为发动机右悬置支架的微观断口形貌，可以 看出裂纹源断口上存在二次裂纹、断裂小平面以及韧 窝，表明发动机右悬置支架是在过载情况下发生的断裂。
图
2
螺栓的宏观断口形貌
Fig. 2 M a c r o s c o p i c fracture m o r p h o l o g y o f bolt
(c )
区域
3
( d )
区域
4
图
3
螺栓的微观断口形貌
Fig. 3 M i c r o s c o p i c fracture m o r p h o l o g y o f
bolt
2021年第5期/第70卷
工艺技术
im
617
2.3化学成分分析
2.3.1悬置支架化学成分分析
断裂悬置支架所用材料的化学成分如表1所示，其 结果满足DIN EN 1706: 2010-06的技术要求。2.3.2螺栓化学成分分析
断裂螺栓所用材料的化学成分如表2所示，其结果 满足GB/T 3077—2015的技术要求。2.4金相组织分析
2.4.1悬置支架金相组织分析
在悬置支架断口附近横向截取金相试样，磨制抛 光后用水溶液腐蚀并观察，显微组织包含a 固 溶体、共晶硅、Al 2Cu 相及p (AlSiFeMn )相，组织未 见异常（图6 )。
图
4
悬置支架的宏观断口形貌
Fig. 4 M a c r o s c o p i c fracture m o r p h o l o g y o f m o u n t i n g bracket
(a )
裂纹源1
(b )
裂纹源2
图
5
悬
置
支
架
的
微
观
断
口
形
貌
Fig. 5 M i c r o s c o p i c fracture m o r p h o l o g y o f m o u n t i n g bracket
表1断裂悬置支架的化学成分
Table 1 Chemical composition of fractured mounting bracket
wB /%
项目Si F e C u M n M g C r N i Z n P b S n Ti 实测值9.890.76
2.89
0.150.200.0340.051 0.93
0.0380.0250.034要求值
8.0-11.0
0.6-1.12.0-4.0^0.55
0.15-0.55
^0.15
^0.55
彡
1.2
^0.35
^0.15
<0.20
表2
断裂螺栓的化学成分
Table 2 Chemical composition of fractured screw bolt
wB/%
项目C Si M n P
S C r N i M o C u 实测值0.370.290.530.0120.016 1.03 0.0160.230.017要求值
0.32-0.40
0.17 〜0.37
0.40 〜0.70
<0.030
<0.030
0.80-1.10
<0.030
0.15-0.25
$0.030
图
6
悬置支架的微观组织
Fig. 6 Microstructure o f m o u n t i n g bracket
618
FO U N D R V
工艺技术
V o l.70 N o.5 2021
im
2.4.2螺栓金相组织分析
在螺栓断口附近截取金相试样，磨制抛光后用硝 酸酒精溶液腐蚀并观察，显微组织为正常的回火索氏 体，表面无脱碳现象，螺纹牙底与螺纹收底圆滑过渡(图7)。
2.5硬度测试
2.5.1悬置支架硬度测试
断裂悬置支架的硬度测试结果见表3，其结果符合 技术要求。
2.5.2螺栓硬度测试
断裂螺栓的硬度测试结果见表4，其结果符合技术 要求。2.6数值模拟
采用二阶四面体网络技术对发动机右悬置支架进行 网格划分，网格大小为3mm ，输入的材料参数191见表5。
将发动机右悬置支架与橡胶悬置连接的中心点作 为载荷的加载点。作用在支架上的载荷根据该试验场 采集的路谱确定，主要有三种载荷工况（见表6)。悬 置支架螺栓连接的三个点分别采用两种约束方式进行 模拟，第一种是三个连接点全部固定约束；第二种是 将上述断裂螺栓的连接点不约束，其余两点进行固定 约束。
假设发动机悬置支架具有物质的连续性和均 句性，并且为理想的弹塑性体，将上述三种工况下 的载荷约束边界条件分别施加到悬置支架上，采用
ABUQUS 的Standard 隐式求解器进行求解，得出的应力
表3
断裂悬置支架的硬度
Table 3 Hardness of fractured mounting bracket
项目
硬度值
H B
实测值
92
，
95, 93要求值
>80
分布见图8。
发动机悬置支架所用材料的抗拉强度极限为 240 MPa ，根据上述悬置支架的应力分布云图结果对其 进行强度校核，详细结果见表7。
表4
断裂螺栓的硬度
Table 4 Hardness of fractured screw bolt
项目
硬
度
值
H V 10
实测值
350, 347, 349
要求值
320〜380
表5
材料属性
Table 5 Physical parameters of materials
材料
弹性模
量
/M P a
泊松比密度
/ (t.m m.5)A l S i 9C u 3F e 7.4E +40.33
2.7E -9
表6
载荷工况
Table 6 Load cases
载荷工况
r 方
向
/N Z
方向
/N
工况1
10 0000工
况
2
09 800丁
•况3
-
12 700
表7
悬置支架的强度校核结果
Table 7 Strength check results of mounting bracket
载荷
约束
最大主应力
评价标准
校核
工况方式
/M P a /M P a
结果
工况一第一种
99彡
240符合
工况二第一种145彡240符合
工况三第一种170彡240符合
工况一第二种215彡240符合
工况二第二种225彡240符合
工况飞第二种250
彡240
不符合
图
7
螺栓的微观组织
Fig. 7 Microstructure o f s c r e w
bolt
2021年第5期/第70卷工艺技术619
(a)约束方式一、载荷工况一
发动机支架| P I stress 170 M P a|
(c)约束方式一、载荷工况三(b)约束方式一、载荷工况二
(d)约束方式二、载荷工况一
P I stress 215 M P a
(e )约束方式二、载荷工况二（f)约束方式二、载荷工况三
图8悬置支架的应力分布
Fig. 8 Stress distribution o f m o u n t i n g bracket
3结果分析与讨论
发动机右悬置支架与螺栓法兰面接触区域（s区）的滑移磨损痕迹（图2 )表明连接螺栓在交变载荷下已
发生了松动；通过断口分析确认了悬置支架及连接螺 栓的断裂性质分别为过载断裂与弯曲疲劳断裂；化学 成分、金相组织及硬度分析确认了支架及螺栓所用材 质满足技术要求。
对发动机右悬置支架进行数值模拟分析表明悬置 支架在载荷工况三约束方式二的情况下校核强度不满 足要求，并且应力最大的点与悬置支架断裂的裂纹源 位置基本保持一致。从而得出，悬置支架在交变载荷 作用下，在接触面之间发生相对滑移导致连接螺栓发 生了弯曲疲劳断裂，进而使得该螺栓连接点约束发生了变化，最终导致了悬置支架的断裂。
因此，要解决发动机右悬置支架及连接螺栓断裂 失效的问题，需要改进螺栓的拧紧装配工艺，保证发 动机右悬置支架与连接件之间有足够的预紧力，避免 在使用过程中螺栓产生松动。
4结论
(1)该悬置支架的断裂性质为过载断裂，螺栓松 动并发生疲劳断裂使得连接点约束方式产生变化是悬置支架断裂失效的主要原因。
(2 )建议改进螺栓的拧紧装配工艺，以保证悬置
支架与连接件之间具备足够的预紧力。
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