某車型后懸架故障分析及結構改進研究

吳成平，許美星，張根志，唐玉福，王艷猛

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，北京 101400)

某車型后懸架故障分析及結構改進研究

吳成平，許美星，張根志，唐玉福，王艷猛

(北京福田戴姆勒汽車有限公司技術中心，北京 101400)

針對某車型在路試時中出現的后懸架橫向推力桿車身連接座及縱向推力桿底部開裂故障，進行了實車強化路況試驗及極限工況有限元仿真分析。通過強化路況試驗與仿真分析得知：橫向推力桿支座開裂為焊點虛焊所致，而縱向推力桿開裂為結構設計缺陷所致。研究結論可為工程實踐提供參考。

后懸架；故障分析；應力-應變試驗；仿真；改進

0 引言

非獨立懸架因結構簡單、工作可靠及成本低等被廣泛應用于貨車的前、后懸架以及轎車的后懸架[1]。在工程實際中，常出現相關結構件變形或開裂等故障，出現此類現象的原因大部分是由于結構所受應力超過了其材料的屈服強度[2-4]。

現有某非獨立后懸架車型在整車路試實驗時，后懸架出現故障主要集中在：(1)與車身連接的橫向推力桿車身連接座開裂(如圖1所示)；(2)縱向推力桿底部開裂(如圖2所示)。眾所周知，故障出現部位極為關鍵，若其得不到及時有效的解決，將對該車型操縱穩定性、可靠性和安全性造成極大影響，也將導致該車型量產被延期甚至否決，給員工和公司造成無法估量的損失。所以，該問題的解決已成燃眉之急。

圖1 橫向推力桿車身連接座開裂 圖2 縱向推力桿底部開裂

1 整車試驗分析

針對出現的故障，參考相關試驗規程，對該車型試驗樣車進行強化路面試驗規劃并進行了實車應力測試試驗。

1.1 試驗準備

試驗樣車一輛(注：為保證車輛安全，試驗車輛的橫向推力桿車身連接座已采用縫焊形式)，舉升機一臺，LMS測試儀一臺，磨砂輪、紗布、應變片及連接橋線若干，以及采用標記筆、錫焊槍、強力膠及絕緣膠布等對應變測試片進行位置標記及固定連接。

根據故障情況，在可能相關位置共規劃布置11個應變片，各應變片均采用1/4測量橋(注：在布置應變片的位置應先對其進行拋光處理，以確保其表面光潔)，如圖3—8所示。其中：測點1表示橫向推力桿車身連接座承力板沿橫向推力桿軸線的Y向，測點2表示橫向推力桿車身連接座加強板沿橫向推力桿軸線的Y向，測點3表示橫向推力桿車身連接座承力板根部位置豎直的Z向，測點4表示橫向推力桿車身連接座承力板根部位置水平的Y向，測點5表示橫向推力桿中間位置沿其軸線的Y向，測點6表示后軸上橫向推力桿安裝座豎直的Z向，測點7表示左側縱向推力桿底部中間位置X向，測點8表示車身上左螺旋彈簧安裝座豎直Z向，測點9表示車身上左減振器(面向車前進方向，下同)安裝座豎直Z向，測點10表示車身上右螺旋彈簧安裝座豎直Z向(與測點8相對車身縱向中垂面對稱，未示出)，測點11表示車身上右減振器安裝座豎直Z向。

圖3 橫向推力桿車身連接座總成車身測點 圖4 橫向推力桿中間測點

圖5 橫向推力桿安裝座后軸測點 圖6 左側縱向推力桿底部

圖7 左螺旋彈簧安裝座車身測點

圖8 左減振器安裝座車身測點

1.2 試驗過程

實車實驗工況[5]如表1所示，限于篇幅，僅選取其中扭曲路和坡道路為例，如圖9—10所示。一共進行了5組試驗，每組試驗采集2次數據，測試過程中，所有操作均按規程，測試時頻率帶寬為400 Hz、譜線數為400 Hz、分辨率為1 Hz。

圖11是扭曲路試驗時各測點應變的時間歷程，圖12是坡道試驗時各測點應變的時間歷程。可以看出：在兩種路面上測試的結果都是左側縱向推力桿測點7的動應變最大，其次是車身上左螺旋彈簧安裝座測點8、橫向推力桿安裝座后軸測點6和橫向推力桿中間測點5動應變較大，其他位置動應變遠小于這3個測點位置的應變值。

表1 樣車試驗工況設置

圖9 扭曲路面 圖10 試驗坡道

圖11 扭曲路試驗

圖12 坡道試驗

1.3 試驗數據處理及分析

表2—6列出了試驗過程各工況下各測點的最大拉壓應變情況，以及由此算出的最大拉壓應力，計算時材料彈性模量取210 GPa。其中：應變單位μE，應力單位MPa；正數表示為拉應變及拉應力，負數表示為壓應變及壓應力。

由表2—6可知：測點7(左側縱向推力桿底部)的拉、壓應變均為極值，因該車是后橋驅動，當爬坡時坡道阻力、道路滾動摩擦阻力以及加速阻力一起作用于后橋，導致后橋承受較大的載荷，載荷傳遞至縱向推力桿使其產生應變。

表2 扭曲路工況各測點極限應變與應力

表3 坡道路工況各測點極限應變與應力

表4 砂石路工況各測點極限應變與應力

表5 極限靜載工況各測點極限應變與應力

表6 平路行駛工況各測點極限應變與應力

其中，最危險工況為測點7坡道路加速爬坡時，最大拉應力為235.66 MPa，最大壓應力為-347.21 MPa，應力沿汽車坐標系X方向，此應力已超過縱向推力桿材料的屈服強度235 MPa。所測應力值比較明顯的依次是測點8(左螺旋彈簧安裝座豎直Z向)、測點6(橫向推力桿安裝座后軸測點)Z向和測點5(橫向推力桿中間測點)Y向。測點5在最危險的坡道測試中，其極限拉壓應力分別為33.81和-30.6 MPa，在砂石路測試中的極限拉壓應力分別為43.88和-20.69 MPa，均為較低水平。測點1、2、3、4(位于橫向推力桿車身連接座上)

的應力值較小(均小于30 MPa)。

2 后懸架有限元結構仿真分析

通過上述實車試驗可知，在各種工況下，橫向推力桿車身連接座上及其附近區域的應力值均處于較低水平；在坡道工況下，整車應力最大且出現在左側縱向推力桿底部(測點7處)且已超過材料的屈服強度，而此處正好在破壞點附近。

針對實車試驗最惡劣的坡道工況，為驗證原有點焊形式橫向推力桿車身連接座及縱向推力桿的應力水平，從而印證實車試驗的結果，建立了后懸有限元結構分析模型來對后懸架故障及結構改進進行研究，以期為改進產品結構提供快速有效的指導。

2.1 后懸架有限元模型

通過對后懸架進行幾何簡化、網格劃分、相關屬性設置、連接關系建立及邊界加載等流程化操作后，最終建立的有限元模型如圖13所示。由于文中主要目的是針對橫向推力桿與縱向推力桿的故障進行分析，所以建模要點歸納如下：

(1)由于與橫向推力桿、縱向推力桿關聯的主要受力結構均為板件結構，所以模型中主要采用四邊形殼Shell單元進行模擬。

(2)對車身及車輪結構進行簡化，只保留部分連接結構且進行約束。

(3)模型中運動副根據實際選取仿真軟件中相對應鉸鏈(JIONTs)形式。

(4)點焊采用實體單元進行模擬，焊點與被連接板件間通過構建接觸來模擬點焊連接；用RB3處理螺旋彈簧與上下支承面的連接。

(5)鉸鏈連接部位或非關鍵的分析部件，仿真模型中設置為剛體。

(6)結構件質量屬性通過添加質量點、調整質心及密度等方式來實現。

(7)通過對輪胎接地點加載位移來模擬坡道路面。

圖13 后懸架有限元模型

2.2 后懸架有限元模型計算結果分析

將調試好后的后懸架有限元模型提交求解器進行計算，結果表明除左縱向推力桿應力值較大外，其余應力水平均比較低，與實車試驗結果基本一致。

針對故障區域進行重點關注，由圖14、圖15及表7可知：

圖14 橫向推力桿車身連接座實車試驗測點與仿真測點示意

圖15 縱向推力桿試驗測點與仿真測點示意

測點1附近 測點2附近 測點3附近 測點4附近 節點號應力值/MPa節點號應力值/MPa節點號應力值/MPa節點號應力值/MPa1871335.21753822.61896118.81858018.01872031.61753221.01896420.21896015.91871432.21757112.61896620.51858118.41872428.11757512.21858317.81896317.31871627.11754114.11858216.81858216.81836429.21753117.71896517.71896517.7

(1)橫向推力桿車身連接座上應力水平較低，各測點最大應力值僅為35.2 MPa，與試驗結果基本相符。

(2)CAE計算最大應力出現在縱向推力桿應變片位置附近，且數值為324 MPa，與試驗結果最大數值347 MPa誤差為6.7%，則認為有限元模型及結果基本可信。且縱向推力桿頂部應力也較大，達到298 MPa，均大于材料的屈服強度235 MPa，存在破壞風險。

綜上，通過有限元仿真計算分析可得如下結論：

(1)橫向推力桿車身連接座開裂應為虛焊所致(實車改為縫焊后故障已不再出現)。

(2)縱向推力桿應力值過大，存在開裂風險，其結構設計存在改進空間。

2.3 后懸架有限元模型結構改進分析

針對縱向推力桿現有結構應力值過大，可采取措施：(1)改進縱向推力桿薄弱處的結構設計；(2)更換縱向推力桿材料。文中主要就縱向推力桿結構進行改進：分別通過在縱向推力桿底部及頂端增加加強結構(如圖16所示)，通過計算，改進后，縱向推力桿底部最大應力由原來的324 MPa降為248 MPa，頂部最大應力由298 MPa降低到212 MPa。實車已采取CAE改進建議，目前還未反饋故障重現。

圖16 縱向推力桿加強結構示意

3 結論

結合上述實車試驗及CAE分析結果，可得如下結論：

(1)采用實車試驗和仿真手段對故障進行了分析，找出故障原因，并通過仿真方法為結構改進提供了有效參考。

(2)橫向推力桿車身連接座開裂故障為虛焊所致。建議措施如下：①制造及質檢部門嚴格控制點焊質量，保證不能有虛焊；②可保守將支座連接的點焊形式改為縫焊。

(3)縱向推力桿結構設計存在缺陷，需進行結構改進。改進措施如下：①在縱向推力桿底部增加加強板(形成箱型結構)；②在縱向推力桿頂部須增加加強結構。結構改進后其應力改善效果明顯，可采用結構拓撲優化和形貌優化對底部加強板及頂部加強結構進一步進行優化。

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[5]交通運輸部公路交通試驗場汽車產品定型可靠性行駛試驗規范[S/OL].(2000-01-01)[2016-07-15].http://www.docin.com/p-606200948.html.

ResearchonTroubleAnalysisandStructureImprovementatRearSuspensionofSomeVehicle

WU Chengping，XU Meixing，ZHANG Genzhi，TANG Yufu，WANG Yanmeng

(Technology Centre, Beijing Foton Daimler Automotive Co.,Ltd., Beijing 101400,China)

Typical enhanced bad roads conditional experiments and simulation analysis were adopted because the bracket of transverse push rod and the bottom of longitudinal push rod at rear suspension of some vehicle cracked. The results show that the bracket of transverse push rod has been welded failure and the longitudinal push rod has revealed some design defects. The conclusions can supply references to engineering application.

Rear suspension；Trouble analysis；Stress-strain experiment；Simulation；Improvement

2017-04-13

吳成平(1982—)，男，碩士，工程師，研究方向為車輛結構強度計算機輔助分析、整車工程開發、整車性能及零部件可靠性研究等。E-mail：wcp6519@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.020

U463.33

A

1674-1986(2017)08-077-06