某框式前副車架臺(tái)架失效分析及優(yōu)化

連 昊，覃錦榮

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

副車架作為車身與汽車懸掛連接部件之間的一種輔助裝置，是汽車底盤的一個(gè)重要零件，不僅提高了懸架系統(tǒng)的連接剛度，帶來良好的操縱性，同時(shí)也提高了整車舒適性。目前，隨著汽車工業(yè)對(duì)整車零部件模塊化的要求越來越強(qiáng)烈，采用前副車架結(jié)構(gòu)的乘用車越來越普遍。本文論述的前副車架為框式結(jié)構(gòu)，懸架形式為麥弗遜懸架，搭載在前置后驅(qū)車型上。

副車架與車身和懸架系統(tǒng)相連接，在實(shí)際整車中的受力及其復(fù)雜，因此副車架在強(qiáng)度、疲勞、NVH等方面均有較嚴(yán)格的要求。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中如果只靠耐久路試來驗(yàn)證副車架的可靠性，會(huì)給延長整車開發(fā)周期，增加開發(fā)成本，嚴(yán)重可能影響整車順利量產(chǎn)。因此，在底盤新產(chǎn)品開發(fā)前期，都會(huì)進(jìn)行樣件摸底臺(tái)架試驗(yàn)，用來驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。本文針對(duì)縱向力耐久臺(tái)架試驗(yàn)過程中副車架開裂失效問題進(jìn)行了多方面分析，提出兩個(gè)優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了CAE分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，最終在開發(fā)前期解決了該產(chǎn)品的開裂問題。

1 開裂情況描述

現(xiàn)有某車型前副車架，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)搭載臺(tái)架進(jìn)行縱向力耐久試驗(yàn)，利用四立柱工裝將前副車架模擬與車身進(jìn)行螺栓連接，縱向力試驗(yàn)用X向（-5.1，+7.8）kN 的力值按照正弦波加載在擺臂球銷上，具體如下圖1所示。試驗(yàn)頻率為2 Hz，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)需達(dá)到35萬次，評(píng)價(jià)指標(biāo)為樣件在整個(gè)試驗(yàn)過程中不能有裂紋、異響等失效出現(xiàn)，試驗(yàn)需連續(xù)完成3臺(tái)樣件合格才算通過。

圖1 前副車架縱向力耐久臺(tái)架試驗(yàn)

樣件試驗(yàn)到15.3萬次，擺臂前點(diǎn)支架與縱梁焊縫邊緣中間開裂，裂紋向兩側(cè)延伸，逐漸擴(kuò)展至支架本體，繼續(xù)試驗(yàn)至30.4萬次，支架安裝孔翻邊處本體開裂，裂紋迅速沿著螺栓法蘭墊片邊緣擴(kuò)展，開裂位置如圖2所示。后續(xù)繼續(xù)做了兩臺(tái)樣件的臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果一致。

圖2 擺臂前點(diǎn)支架臺(tái)架開裂位置

2 開裂問題分析

對(duì)于前副車架擺臂前點(diǎn)支架開裂問題，需要從多方面進(jìn)行考慮，首先支架本身的材質(zhì)是否滿足材料SAPH440，零件板材力學(xué)性能是否滿足要求，焊縫熔深及金相是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，零件開裂部位所受的應(yīng)力是否超過材料的屈服極限等，而且支架安裝孔翻邊開裂是本身問題還是受焊縫開裂影響，都有待分析[1]。下面將從材質(zhì)檢測(cè)、焊縫檢測(cè)和CAE分析三個(gè)方面來分析。

2.1 材質(zhì)檢測(cè)

為檢驗(yàn)擺臂前點(diǎn)支架材料質(zhì)量是否合格，對(duì)其進(jìn)行材料成分分析，結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明材料成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)，通過板材力學(xué)性能測(cè)試得出其屈服與抗拉強(qiáng)度也均滿足性能要求，排除了零件材料不達(dá)標(biāo)而引起開裂的可能。

表1 材料成分檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 焊縫檢測(cè)

擺臂前點(diǎn)支架與縱梁搭接間隙測(cè)量為0.8 mm，小于1.2 mm，滿足搭接間隙要求。同時(shí)，對(duì)開裂處焊縫進(jìn)行熔深與金相分析，分析結(jié)果如下表2所示，結(jié)果顯示熔深合格，金相組織也合格，排除了零件因焊接缺陷而引起開裂的可能。

表2 焊縫熔深與金相檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 CAE分析

前副車架組成零件均為薄板件，故采用Shell殼單元模擬，單元大小3 mm；緊鄰焊縫節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的單元稱為焊縫單元，用四邊形殼單元模擬，厚度設(shè)為兩個(gè)母材的最厚厚度，如下圖3所示；擺臂襯套采用Spring單元模擬，后副車架與車身安裝點(diǎn)、與擺臂安裝點(diǎn)以及載荷力施加點(diǎn)處采用rbe2單元進(jìn)行處理，最后得到前副車架的有限元模型，如下圖4所示。

圖3 焊縫有限元模型

圖4 前副車架有限元模型

按照縱向力臺(tái)架試驗(yàn)條件進(jìn)行邊界和載荷設(shè)定，應(yīng)用Optistruct進(jìn)行求解，Hyperview進(jìn)行后處理查看應(yīng)力，最后得到前副車架應(yīng)力云圖如圖，擺臂前點(diǎn)支架與縱梁搭接焊縫邊緣處應(yīng)力為353.0 MPa，超過了材料屈服強(qiáng)度305 MPa，有疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)。支架安裝孔附近翻邊處應(yīng)力為271.0 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度305 MPa，故此翻邊處滿足強(qiáng)度要求。支架安裝孔周圍采用reb2連接，應(yīng)力值會(huì)有偏大現(xiàn)象，故此處364.5 MPa的應(yīng)力值不作考究。

圖5 前副車架應(yīng)力云圖

從CAE分析可以看出，擺臂前點(diǎn)支架與縱梁搭接焊縫邊緣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力值超過了材料屈服，屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。但該處焊縫開裂后裂紋擴(kuò)展到一定程度便沒有再繼續(xù)擴(kuò)展，反而分析滿足強(qiáng)度要求的安裝孔附近翻邊處發(fā)生開裂現(xiàn)象，故很有可能是焊縫開裂后，支架受力形式發(fā)生了改變，所以下面，創(chuàng)建焊縫開裂后的前副車架有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 焊縫開裂后前副車架應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖可以看出，支架焊縫開裂擴(kuò)展到一定程度后應(yīng)力有所下降，最大應(yīng)力由之前的353.0 MPa降為280.8 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，故此時(shí)焊縫裂紋不再擴(kuò)展，與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合。而當(dāng)焊縫開裂擴(kuò)展到一定程度時(shí)，支架安裝孔附近翻邊處應(yīng)力有所上升，最大應(yīng)力由之前的271.0 MPa上升為317.8 MPa，大于材料屈服強(qiáng)度，存在疲勞開裂的風(fēng)險(xiǎn)，同樣與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合。

綜上所述，前副車架擺臂前點(diǎn)支架開裂屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，焊縫處因設(shè)計(jì)不滿足強(qiáng)度要求而發(fā)生疲勞開裂，焊縫開裂從而引起支架安裝孔附近翻邊強(qiáng)度不足，發(fā)生疲勞開裂[2]。同時(shí)，這也說明了CAE分析結(jié)果與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，進(jìn)一步推斷CAE分析可以進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)上述支架開裂問題分析，現(xiàn)提出兩個(gè)優(yōu)化方案[3-4]。

3.1 優(yōu)化方案一

由于支架安裝孔附近翻邊處的開裂是有焊縫處開裂引起的，那先解決焊縫開裂問題。現(xiàn)采用一加強(qiáng)板加焊在原先的擺臂前點(diǎn)支架上，同時(shí)也與縱梁焊接在一起，對(duì)支架開裂出的焊縫進(jìn)行加強(qiáng)，如圖7所示。

圖7 擺臂前點(diǎn)支架優(yōu)化方案一

對(duì)該方案進(jìn)行CAE分析，發(fā)現(xiàn)支架開裂焊縫處應(yīng)力有原先的 353.0 MPa 降為 213.7 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求；安裝孔附近翻邊處應(yīng)力為207.6 MPa，同樣滿足強(qiáng)度要求，如圖8所示。制作該方案的前副車架樣件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)循環(huán)至35萬次，樣件無開裂，驗(yàn)證了該方案的可靠性。

圖8 優(yōu)化方案一應(yīng)力云圖

3.2 優(yōu)化方案二

縱向力臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)應(yīng)整車制動(dòng)工況，會(huì)對(duì)前副車架擺臂前點(diǎn)支架施加了較大的縱向力，而原結(jié)構(gòu)的前點(diǎn)支架抗縱向力的能力較弱，其張開的兩個(gè)“翅膀”結(jié)構(gòu)并沒有起到很好的縱向加強(qiáng)作用，故考慮直接優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)對(duì)擺臂前點(diǎn)支架采用兩片式結(jié)構(gòu)，每片均帶有兩個(gè)支撐腿和安裝孔周圍翻邊，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。同樣對(duì)該方案進(jìn)行CAE分析，發(fā)現(xiàn)支架開裂焊縫處應(yīng)力有原先的 353.0 MPa 降為 218.6 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求；安裝孔附近翻邊處應(yīng)力為90.1 MPa，同樣滿足強(qiáng)度要求，如圖10所示。制作該方案的前副車架樣件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)循環(huán)至35萬次，樣件無開裂，驗(yàn)證了該方案的可靠性。

圖9 擺臂前點(diǎn)支架優(yōu)化方案二

圖10 優(yōu)化方案二應(yīng)力云圖

3.3 方案對(duì)比

對(duì)于支架開裂問題現(xiàn)已提出了兩個(gè)優(yōu)化方案，并進(jìn)行了臺(tái)架驗(yàn)證，兩個(gè)方案都能滿足整車強(qiáng)度要求。下面對(duì)原方案、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二進(jìn)行方案對(duì)比，如表3所示。

表3 支架方案對(duì)比

通過對(duì)比可知，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二都能滿足強(qiáng)度要求，但優(yōu)化方案二相比原方案有所減重，且焊縫長度也有所減少，在滿足零件功能需求的同時(shí)能夠有效的降低成本，故選擇方案二。

4 結(jié)束語

產(chǎn)品開發(fā)前期，某前副車架在耐久臺(tái)架試驗(yàn)中擺臂前點(diǎn)支架焊縫與翻邊處先后發(fā)生開裂，針對(duì)該失效問題開展了材質(zhì)、熔深以及CAE多方面分析，最后發(fā)現(xiàn)了開裂原因?yàn)橹Ъ芙Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，其中CAE分析結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)比較吻合，可以指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)支架開裂問題提出了兩個(gè)優(yōu)化方案，都通過了臺(tái)架試驗(yàn)。通過方案對(duì)比，選擇了方案二，不僅在產(chǎn)品開發(fā)前期解決了該開裂問題，同時(shí)還減輕了重量，降低了成本，對(duì)其他底盤產(chǎn)品有借鑒意義。