扭轉梁彈簧座加強板結構優化

陳衍標，陳曉峰

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

扭轉梁式半獨立后懸架系統發明于上世紀70年代，但直到今天這種經典結構仍然有著強大的生命力，被廣泛用于前輪驅動的中小型轎車的后懸架系統中。雖然在近40年的發展中，各大汽車廠商對扭轉梁式半獨立懸架不斷進行著優化，但扭轉梁因其結構簡單、成本低且能滿足一般的汽車動力學、運動學的要求而廣泛運用。由于后扭轉梁既要有足夠的強度來承受汽車運行中各種載荷工況，同時又要能夠提供合適的扭轉剛度保證整車的側傾剛度，從而導致后扭轉梁在應用中受力比較復雜，應力集中區域和危險區域也比較多。扭轉梁相互焊縫焊接較近，焊縫局部應力集中、熱影響區微觀組織改變等因素的影響，焊縫疲勞強度一般低于焊接基材自身。本文在某車型扭轉梁在開發和試驗工作中，橫梁與彈簧座加強板焊接的焊縫在側向力試驗[1]未達到設計要求的17.5萬次循環出現開裂（圖1）失效的問題，對彈簧座加強板結構優化、降低焊縫的應力，解決扭轉梁開發過程中側向力試驗（圖2）彈簧座加強板焊縫開裂問題。

圖1 彈簧座加強板焊縫開裂

圖2 扭轉梁側向力試驗

1 焊縫失效分析

該扭轉梁在進行產品認證試驗時，在側向力試驗未達到設計要求的17.5萬次循環，彈簧座加強板焊縫發生早期開裂失效現象（圖1），失效出現在試驗循環次數約為13萬次左右（表1）。

表1 原設計方案扭轉梁側向力試驗壽命次數表

1.1 材料化學成分、機械性能分析

對試驗失效零件橫梁（材料QStE460TM，厚度4.5 mm）和彈簧座加強板（材料QStE380TM，厚度3.5 mm）做化學元素及機械性能試驗檢測。檢測結果表明，橫梁和彈簧座加強板的化學元素（表2、表3）及機械性能的拉伸試驗（表4、表5）都符合設計規定的材料標準要求。

表2 橫梁化學元素檢測表

表3 彈簧座加強板化學元素檢測表

表4 橫梁材料機械性能試驗檢測表

表5 彈簧座加強板材料機械性能試驗檢測表

1.2 焊縫金相組織檢驗

在扭轉梁側向力試驗焊縫失效處取樣（圖3）進行熔深、金相分析檢測。失效件焊縫熔深檢測合格（表6）。焊縫區金相組織（圖4）檢測為魏氏組織鐵素體+珠光體，柱狀晶呈細長狀，無鐵素體；熱影響區金相組織（圖5）檢測為魏氏組織鐵素體+珠光體，狀晶均勻且較細；說明焊縫焊接質量滿足要求。

圖3 故障處焊縫切片

表6 焊縫熔深檢測表

圖4 焊縫區金相組織（50倍）

圖5 熱影響區金相組織（50倍）

1.3 焊縫疲勞分析

采用疲勞分析軟件FE-Fatigue推薦的焊縫疲勞分析方法進行焊縫壽命預測，該方法基于S/N方法，先計算處焊趾點的局部應力歷程（焊縫的最大應力一般出現在焊趾附近（圖6），這也就是焊縫由焊趾開裂居多的原因），然后計算彎曲率，根據彎曲率對已知的S/N曲線進行插值（圖7），得出焊縫壽命分析中需要的S/N曲線，最后對上表面的應力歷程進行雨流統計、損傷計算，得出焊縫的疲勞壽命。焊縫疲勞分析流程（圖8）。

圖6 焊縫周圍應力梯度

圖7 焊縫的S/N曲線

圖8 焊縫疲勞分析流程圖

通過軟件分析橫梁與彈簧座加強板端頭焊縫的焊趾處存在應力集中。

1.4 斷口分析

取橫梁與彈簧座加強板端頭焊縫處的斷口進行分析。用掃描電鏡觀察并分析得到如下結論：裂紋源在低倍形貌具有多源及多條臺階條紋狀特征（圖9），說明裂紋源處有應力集中現象。放大倍數后觀察，裂源處未見疏松、氣孔等缺陷，斷口微觀形貌具有疲勞微裂紋紋特征。因此，焊縫該處屬于疲勞開裂，裂源處有應力集中現象。而在扭轉梁側向力試驗時，此處承受交變彎矩作用力下加速了應力集中區域的疲勞失效；裂紋最開始從此處漫延并逐漸擴散到整條焊縫。

圖9 斷口裂紋源放大像

1.5 CAE分析

對原方案彈簧座加強板（圖10）結構的扭轉梁進行CAE分析[2]，將側向力試驗載荷作為CAE分析的輸入載荷，通過軟件計算分析，橫梁與彈簧座加強板焊縫邊緣處為應力集中區域，最大應力為284.8MPa（圖11），說明了此處焊縫在承受交變彎矩作用力下有開裂失效的現象存在，而側向力試驗失效位置與CAE分析應力最大處一致。

圖10 原方案彈簧座加強板的扭轉梁

圖11 原方案側向力CAE分析結果

1.6 結果分析

通過以上分析，扭轉梁側向力試驗開裂的原因為橫梁與彈簧座加強板焊縫的焊趾處存在應力集中，導致焊縫強度降低；在承受交變彎矩作用下，應用集中處出現疲勞開裂現象并逐漸擴大至整條焊縫。

2 結構優化

2.1 優化設計

根據資料顯示，對中、低強度鋼來說，焊縫的疲勞破壞與焊接基材關系不大，即不太可能通過改變基材的方式來改善焊縫疲勞性能。一般情況下，焊縫的改進思路有以下兩種[3]：

（1）通過結構優化，改變焊縫的受力形式與量級大小；

（2）通過增加焊縫周圍基材厚度降低焊縫應力。

由于側向力臺架試驗開裂位置在橫梁與彈簧座加強板的焊縫上，通過與其它類似車型的扭轉梁對比，大多數的彈簧座加強板與橫梁搭接的焊縫長度比較長，焊縫長度達到140 mm以上，而此側向力臺架試驗開裂的焊縫長度只有70 mm，焊縫長度過短導致扭轉梁在側向力試驗時焊縫疲勞強度不足且焊縫存在應力集中現象導致開裂。基于以上原因，提出彈簧座加強板（圖12）結構改進方案，將彈簧座加強板與橫梁搭接的焊縫長度在原來的70 mm增加到150 mm，通過優化彈簧座加強板與橫梁搭接邊的長度，提高焊縫的疲勞強度，從而降低焊縫的應力集中位置。

2.2 驗證優化結構

按優化方案的扭轉梁結構進行CAE分析，將側向力試驗載荷作為CAE分析的輸入載荷，通過軟件計算分析，橫梁與彈簧座加強板焊縫邊緣最大應力為107.8 MPa（圖13），優化后的橫梁與彈簧座加強板比原方案應力減少了177 MPa。

圖13 優化方案側向力CAE分析結果

優化方案的扭轉梁進行側向力臺架試驗（圖14）時，在完成規定的17.5萬次循環后橫梁與彈簧座加強板的焊縫未出現裂紋（圖15），壽命達到30萬次左右（表7）后開始出現裂紋。

表7 優化方案扭轉梁側向力試驗壽命次數表

圖14 優化方案扭轉梁側向力試驗

圖15 優化方案側向力試驗后焊縫

從CAE分析及側向力試驗表明，優化方案扭轉梁滿足要求。

3 總結

通過對零件焊縫應力集中分析某車型扭轉梁疲勞失效的原因，提出了相應的改進方案，并進行了CAE分析及臺架試驗驗證，改進方案可以做到臺架試驗一次成功，減少了產品研發費用，縮短了開發周期，提高了產品質量。此分析方法也為其它類似產品的設計積累了豐富的經驗。