某車型扭轉梁后橋疲勞問題優化

王圓,耿彪旗

(本特勒投資(中國)有限公司，上海 201800)

0 引言

扭轉梁式懸架由于結構簡單、易于拆裝、占用空間小、非簧載質量小、乘坐舒適性好、可兼起橫向穩定桿的作用等優點，在中低端轎車中得到廣泛應用[1]。扭轉梁后懸架一般包括車身鏈接支架、扭轉梁后橋、彈簧、減震器等零件，扭轉梁后橋又包含橫梁、襯套套管、縱向擺臂、彈簧盤和減震器支架，如圖1所示。相比于多連桿懸架的副車架，多個連桿和襯套、穩定桿以及轉向節等結構，扭轉梁式懸架的結構和零件簡單很多，成本也同樣下降很多，因此對于追求低成本的經濟型轎車是不二的選擇。與多連桿式后獨立懸架相比，扭轉梁式后橋系統在傳力和受力狀況方面更為惡劣和嚴苛，扭轉梁將同時承受來自車輪、彈簧、減震器、車身等零部件的力和力矩[2]。后扭轉梁是關系整車性能和安全的一個關鍵零件，不僅需滿足整車K&C性能要求[3]，而且需滿足整車使用壽命要求。而在設計開發及試驗過程中經常出現不同位置的疲勞失效開裂，且往往較難短時間優化成功。疲勞壽命相關的開發工作也是扭轉梁式懸架的難點之一。

圖1 典型扭轉梁后懸架結構

扭轉梁后橋關于疲勞的常規開發流程為：得到虛擬路譜或者靜態載荷后，結合剛度和柔度的目標要求進行初步后橋結構設計用于后橋騾車采集路譜;路譜采集后根據采集的路譜信息結合疲勞目標(各工況循環次數)及可靠性目標要求進行DV設計優化及相應單通道試驗的設計;之后進行DV的單通道和多通道試驗以驗證設計是否滿足載荷疲勞目標要求以及單通道和多通道試驗之間的相關性，最終進行整車耐久試驗確認。之后的開發過程中，如果結構沒有顯著的變化，遇到設計變更時可進行CAE對比，以及高風險的單通道試驗的結果進行設計變更的風險評估。以此保證設計的穩健性，并節約開發時間和成本。

為滿足節能與環保的要求，汽車輕量化已成為汽車領域的研究熱點[4]。文中涉及的扭轉梁后橋為公司開發的變截面閉口梁設計(圖2)，與同級別開口梁設計相比質量顯著降低。同時相比于U形開口梁帶加強版的設計，該閉口梁本體有著較好的疲勞性能。本文作者針對某車型扭轉梁后橋多通道后懸架試驗開裂的問題進行了相應的分析，找到了對應失效模式的單通道試驗。通過設計優化并驗證單通道試驗結果有明顯提升后進行了多通道試驗驗證，最終滿足了后懸架的試驗要求。

圖2 扭轉梁結構

1 后懸架12通道試驗扭轉梁后橋開裂問題描述

某車型在進行后懸架12通道試驗過程中，在運行到162%壽命時，發現彈簧盤和橫梁連接的幾個位置均出現開裂并擴展到橫梁，且裂紋較長(約130 mm)，如圖3所示。由于裂紋較長，繼續試驗極易出現斷裂和試驗事故，故判斷該零件狀態無法滿足100%壽命不開裂、200%不失去功能的要求，需進行進一步的失效分析和設計優化。

圖3 多通道試驗開裂零件

2 疲勞開裂原因分析

針對后扭轉梁疲勞開裂的問題,首先對開裂零件進行失效分析，分析零件裂紋的萌生位置和開裂原因。圖3中P1與P2位置(失效模式命名為FM1)發現內部有焊瘤，裂紋從零件內側(焊瘤存在的一側)萌生并擴展，為疲勞裂紋，未見其他焊接缺陷；P3與P4處(失效模式命名為FM2)未見焊接缺陷，裂紋由外部向內部萌生，為常規疲勞裂紋，如圖4所示。

圖4 裂紋微觀分析

搜集整理后發現，其他兩個單通道試驗也有類似的疲勞失效，其中異向扭轉試驗中370%壽命時出現失效FM1(圖5)，縱向力試驗中250%左右壽命時出現失效FM2(圖6)。經過對零部件進行失效分析，異向扭轉試驗FM1與多通道試驗FM1失效形式一致(圖7)；縱向力試驗FM2與多通道的試驗FM2失效形式一致(圖8)。因此單通道試驗中復現了多通道的失效模式。

圖5 異向扭轉試驗失效

圖6 縱向力試驗失效

圖7 異向扭轉試驗裂紋分析

圖8 縱向力試驗裂紋分析

3 問題優化方案

3.1 優化方案

常規優化思路為通過CAE對設計進行基于路譜載荷的優化，同時確認對應單通道載荷的相同熱點位置是否有了同樣的壽命提升。隨后進行單通道試驗驗證，確認符合設計意圖后進行多通道試驗。但該項目中主機廠由于保密等因素未能分享路譜載荷，故設計優化思路為提高FM1在異向扭轉試驗中的壽命以及提高FM2在縱向力試驗中的壽命。經過多輪虛擬設計優化，并考慮工藝性等因素，對彈簧盤結構進行了優化，如圖9中灰色為優化后，考慮由于工藝的問題造成的焊瘤，焊接分段并從兩端向中間焊接(圖10)。

圖9 彈簧盤優化對比

圖10 焊接優化

優化后異向扭轉FM1處的疲勞壽命由446%增長到576%，增長約30%，如圖11所示。

優化后縱向力試驗FM2處的疲勞壽命有所降低，優化前壽命較高，未顯示具體數值，優化后壽命為768%(圖12)。根據其他項目的經驗，該處位置試驗結果與CAE相關性不明顯，優化的方向為保持彈簧盤的焊縫盡量遠離橫梁與懸架臂的焊縫，并保持較高壽命。

對優化后的方案確認后進行了兩個試驗的單通道試驗驗證，異向扭轉試驗中430%其他位置開裂，且試驗壽命較高，符合優化預期。縱向力試驗中540%FM2處開裂(圖13)，試驗壽命是原來的約2.2倍，也符合設計優化的預期。可將優化后的設計進行多通道試驗驗證以最終確認優化效果。

圖13 優化后縱向力試驗失效模式

3.2 優化后設計的后懸架多通道試驗驗證

在單通道載荷復現多通道失效模式并通過優化提高了單通道試驗相關熱點壽命的情況下，用優化后的零件做新的后懸架多通道試驗，試驗直至230%未發現開裂，優化后的設計滿足后懸架多通道試驗要求。相關工況的試驗和CAE的狀況見表1。從表中可以明顯看出，在對應的單通道試驗壽命有明顯優化的情況下，多通道試驗也有著類似的優化結果。

表1 優化前后相關工況試驗和CAE仿真結果對比

4 結束語

汽車扭轉梁后橋作為重要的懸架結構件，通常對于疲勞的要求極高。尤其對于一些關鍵焊縫和橫梁相關的結構，如果開裂甚至斷裂，會造成非常嚴重的后果。由于其受力極其復雜(所有后懸架相關的載荷都通過這一個焊接總成件傳遞)，在耐久工況中往往需平衡各工況的壽命。

文中所研究的后扭轉梁發生了疲勞開裂問題，通過對失效零件和單通道載荷的類似失效模式進行分析，找到了優化方向并進行設計優化，最終解決了疲勞問題。單通道試驗相比與多通道試驗有著時間短、成本低、搭建簡單的優勢，在設計驗證階段與多通道建立起良好的失效對照關系，對于后期可能有的設計變更的驗證有著非常重要的現實意義。可以減少后期變更的驗證時間及費用，同時并沒有帶來更高的風險。