新能源客車某部件連接結構失效分析與優化

王海斌+羅宏亮+白玉良+呂永賓

摘 要：為使新能源客車某主要電氣部件滿足現代城市公交路況的發展要求，解決其減震連接結構在實際運行中出現的失效問題，本文通過對失效狀態進行分析，提出了幾種結構優化方案并進行了可靠性臺架試驗。最后，對比分析路試結果并結合成本要求，選出了最優性價比方案。

關鍵詞：減震連接；新能源；結構優化；可靠性；成本控制

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）11-0060-02

1 故障分析

1.1 引言

某新能源客車車載主要電氣設備框架采用4個圓柱形橡膠減震墊與車身連接，在經歷一段時間城市公交工況運行后，出現減震連接端子損壞、歪斜、連接螺桿斷裂、絲扣拉壞等問題，導致多起連接失效和塌陷故障。

1.2 相關理論

功率譜密度（PSD）可以描述平穩過程隨頻率變化的特性，是隨機過程在頻域內的重要數值特征量，它表征了隨機過程的能量分布。路面不平度q（t）是一個平穩隨即過程，根據傅里葉理論，平穩隨機過程的功率譜密度函數為自相關函數Rq（τ）的傅里葉變換Sq（f），即[1-3]：

以上兩式Sq（f）和Rq（τ）是一對傅里葉變換對。式中自相關函數Rq（τ）為：

實際工程應用中，f>0，則定義單邊功率譜密度為：

Miner累積損傷理論[4]：假設試樣所吸收的能量達到極限值時產生疲勞破壞，從這一假設出發，如破壞前可吸收的能量極限值為W，試樣破壞前的總循環為N，在某一循環數n1時試樣吸收的能量為W1，則由于試樣吸收的能量與其循環數間存在著正比關系，即：

若試樣的加載歷史由k個不同的應力水平構成，各應力水平下的疲勞壽命依次為N1，N2，…，Nk，各應力水平下的循環次數依次為n1，n2，…，nk，則損傷D為：

當D=1時，試樣吸收的能量達到極限值W，試樣發生疲勞破壞。

1.3 原因分析

目前國內外已經發布了電動汽車電池系統振動試驗標準SAE J2380。此標準用于模擬電動車電池系統長時間處于路面所引起的振動測試程序，以確保電池系統的耐振動能力。通常試驗中按照3個綜合條件（振動、溫度、工況）同時進行，測試頻率為10～190Hz隨機振動，X，Y，Z三個軸，可以選擇正常或替代試驗。本文采用正常試驗。

圖1所示，為原連接方案的三向振動PSD曲線。由圖中可以看出在頻率30～60Hz之間，該連接方案在橫向和垂向超出了標準SAE J2380曲線，未滿足標準要求。

原減震連接方案如圖2所示，其主要特點為：該電氣元件與底座剛性連接后，通過圓柱形橡膠減震墊與車身連接。這種連接結構的車輛在運行一段時間后，連續出現多起連接失效問題。其中，在車輛垂向主要出現減震墊損壞，螺桿絲扣被拉壞等現象；在橫向主要出現減震墊歪斜，螺桿絲扣被拉壞，螺桿斷裂等現象；縱向基本無破壞現象。另外，還出現有減震墊螺桿滑絲的情況。

結合上述分析結果，可以得出破壞現象主要由以下三種原因造成：

（1）連接元件缺陷。經抽樣檢測，樣車第一個到第四個安裝腳的扭矩分別為59N·m、50N·m、45N·m、40N·m；參考標準QC/T518-1999《汽車用螺栓緊固件擰緊扭矩規范》8.8級的螺栓，螺紋直徑為10mm，螺距為1.5mm，擰緊力矩標準值為59N·m。說明圓柱形減震墊螺栓的機械強度達不到8.8級，不符合要求。在長期運行的振動影響下，減震墊容易松動、損壞。（2）車輛振動。減震墊螺桿斷裂、螺桿歪斜和螺桿絲扣損壞主要由車輛橫向和垂向的振動引起；減震墊橡膠部分損壞主要由車輛垂向振動引起，占故障的比例很小；在城市公交路況下，車輛在縱向的振動量相比垂向和橫向來說較小，且縱向振動次數也較少。（3）連接結構缺陷。由于減震墊直接安裝在車架的4mm厚埋鐵上，攻絲深度太小，減震墊與埋鐵僅有2～3個絲扣聯接，極容易滑絲。

2 優化方案

針對故障產生原因，可從支撐方式、連接元件和連接強度等方向進行優化改進。提出以下幾種優化方案。

2.1 連接方式優化

兩種優化方案：一為在引起故障的主要方向（橫向）增加兩點支撐，如圖3（a）所示；二為舍棄原連接結構，改為由兩條橫向平行的厚橡膠條支撐結構，如圖3（b）所示。

2.2 連接元件優化

三種優化方案：一為用可靠性更好的六棱柱形減震墊連接，如圖3（c）所示，六棱柱形減震墊可以更加方便和準確的施加符合標準的緊固扭矩；橡膠條采用減震性能和抗老化性能更好的合成橡膠材料；三為直接采用剛性連接，如圖3（d）所示。

2.3 連接目標優化

由埋鐵厚度不足引起的連接絲扣數量過少問題，可通過在連接位置的埋鐵上加焊厚鋼片，提高攻絲深度，從而提高連接絲扣的數量。

3 試驗驗證

3.1 實況路試

本次測試采用交叉對比的方式進行。選定長沙501路公交路線作為測試路線，3臺測試客車配置完整、各部件工作正常，按實際運營公交路線和駕駛習慣行駛一個公交周期。

3臺測試客車的測點布置分別如圖4所示。

3.2 路試結果

分別測得各種改進方案的三向振動峰值（圖5所示）。

由圖5可知：對于縱向，剛性連接方案振動最大值大于其它方案，對于橫向和垂向方向，改裝前的振動最大值大于其他方案，但都在標準SAE J2464所規定的半正弦沖擊加速度（25g）之內，振動最大值為改裝前方案，達到119m/s2。

3.3 成本控制

對六棱柱形減震墊連接結構和剛性連接結構改進方案進行了的改裝成本預算如表1所示。

剛性連接在可靠性與經濟性方面都有很大優勢，最終確定采用改性連接方案。

4 結語

減震連接失效問題主要由車輛振動和結構缺陷兩方面因素引起。車輛振動因素主要為橫向和垂向振動；結構缺陷因素主要為預緊力矩不足和連接絲扣過少。本文針對具體故障設計了優化方案，試驗結果符合預期效果，滿足新能源客車運行要求。其它幾種優化設計方案分別在不同振動方向上具有良好的效果。實際運用過程中可根據不同路況和不同車型進行選擇。

參考文獻

[1]修瑞仙，肖守訥，陽光武，劉艷文.基于PSD方法的點焊軌道客車車體隨機振動疲勞壽命分析[J].機械，2013（8）：27-31.

[2]徐紹鑫.隨機振動[M].高等教育出版社，1990.

[3]張文春.汽車理論[M].機械工業出版社，2005.

[4]王旺平，張永林.平穩隨機應力環境下構件疲勞壽命計算[J].機械設計，2005（11）：29-31.