某牽引車車架開裂的原因分析及整改措施

周友明，梁建福

（東風柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005）

0 引言

車架是汽車的基體，商用車車架一般由兩根縱梁和若干根橫梁組成，橫梁通過連接板與縱梁連接，或直接鉚接在縱梁上。車架需要有足夠的強度和剛度以承受汽車內外的各種載荷和從車輪傳來的沖擊。因此，車架的可靠性極為重要，不僅關系到車輛是否能正常運行，還關系到整車的安全性。文中針對某牽引車車架開裂的故障問題，利用有限元計算及電測試驗進行分析對比并提出改進方案。相比傳統的經驗設計方法，利用有限元方法分析得出的改進方案更為有效，質量及成本控制得更為合理。

1 問題描述

某牽引車車架是2013年初投放市場，在2013年7月的市場調研中發現，部分車輛在行駛到5萬公里左右時，出現了尾梁連接板開裂，如圖1所示。

該車型用戶主要是用于拉煤炭、鐵粉、石材等，車輛滿載時總質量在50 t左右，行駛的路面主要有高等級公路、國道和礦區公路。高等級公路和國道路況較好，礦區公路部分路段存在凹凸不平的情況。

2 原因分析

2.1 結構分析

該車型為單后橋牽引車，尾梁連接板與縱梁及板簧支座固定在一起，該部位所受沖擊較大。連接板開裂位置一處從連接板邊緣開裂至板簧支座安裝螺栓處，初步懷疑為因該處受力較大，局部強度不足從而導致開裂。而連接板開裂位置二處存在著突變結構，在受較大的沖擊載荷或扭轉時容易導致撕裂，初步認為是結構不合理所導致。

2.2 有限元分析

在有限元分析中，通常采用二維板殼單元對薄板件進行模擬。由于車架是由一系列板件組成的結構，宜用板殼單元進行模擬，這種模型可以使分析結果更為準確。該車架的整個分析過程均是采用Hypermesh進行前后處理工作，包括網格的劃分、載荷及約束、工況的定義、計算及結果顯示等。

劃分好的有限元模型如圖2所示，共包括319 981個節點、948 549個單元。為使模擬計算的結果更貼近實際情況，共模擬計算了彎曲工況、左前輪扭轉工況、左前中輪扭轉工況、左后輪扭轉工況、右前輪扭轉工況、右前中輪扭轉工況、右后輪扭轉工況共7個工況。7個工況的應力云圖見圖3（為清晰看到連接板的應力分布情況，故只截取尾梁及尾梁連接板部分的應力云圖）。

從應力云圖上可以看出:開裂位置一在所有工況下應力均較大，開裂位置二在前中輪扭轉和后輪扭轉工況下應力較大。故障位置的有限元分析應力值見表1（因尾梁及尾梁連接板為對稱結構，故取值時選擇了該工況下應力最大一側的應力值）。

表1 各工況下故障位置的有限元分析結果 MPa

該連接板所采用的材料屈服強度為700 MPa，疲勞強度為375 MPa，因彎曲工況為常見工況，用疲勞強度計算安全系數，其他工況為極限工況，用屈服強度計算安全系數。根據有限元分析的結果，位置一的應力有3個工況已經超過該材料的許用應力范圍，其他工況也接近材料極限，因此該處確定存在較大的開裂風險。位置二在彎曲工況時安全系數為375/236=1.59，其他工況的最小安全系數為700/465=1.51。因計算模擬的為靜態極限工況，考慮到動載沖擊，對于車架較為可靠的最小安全系數為1.5×1.3=1.95（1.5為動載系數）。因此位置二也存在一定的開裂風險。

2.3 電測試驗

2.3.1 靜態測試

根據車輛行駛過程中可能碰到的路面情況，模擬進行了彎曲工況、左前輪扭轉工況、左前中輪扭轉工況、左后輪扭轉工況、右前輪扭轉工況、右前中輪扭轉工況、右后輪扭轉工況共7個工況的測試。靜態測試模擬方法如圖4所示。

各工況下的電測結果與有限元分析結果對比如圖5和圖6所示。

電測值大部分均比有限元分析結果小，主要是因為有限元分析中的連接件均是采用rb2剛性體模擬，易導致應力集中。從有限元分析結果和電測結果的趨勢來看基本吻合，說明電測結果和有限元分析結果基本可靠。

2.3.2 動態測試

動態測試選擇了一段路面情況如圖7所示的道路，測試時間約13 min，路段全長約10 km。連接板位置一的動態測試數據波形如圖8所示，動態測試數據如表2所示。

表2 兩個位置的動態測試數據 MPa

根據疲勞強度分析理論，零件材料的極限應力曲線即為折線A'G'C。材料中發生的應力如處于OA'G'C區域以內，則表示不發生破壞;如在此區域外，則表示一定要發生破壞;如正好處于折線上，則表示工作應力狀態正好達到極限狀態［1］，如圖9所示。

由于缺少脈動循環變應力的疲勞極限，作者保守地直接將對稱循環變應力的疲勞極限與屈服極限兩點連成一條直線A'C，如圖9所示。將測點數據標記在圖表上，最大應力值對應橫坐標，應力幅值對應縱坐標，如圖10所示 （屈服強度極限為700 MPa，疲勞強度極限為375 MPa）。

2.4 結果分析

結合有限元分析及電測試驗結果可知，連接板開裂位置一的確存在較大的開裂風險，連接板開裂位置二雖然應力相對位置一并不高，但相對其他部位應力仍然較高，且因其存在突變結構，當材料在剪切過程中存在微小瑕疵時就容易引發開裂。

3 整改措施

根據有限元分析及電測試驗結果，對尾梁連接板提出4個改善方案，如表3所示。

表3 尾梁連接板改善方案

通過對上述4個改善方案進行有限元分析，對比每個方案的改善效果。各方案中左前中輪扭轉和右后輪扭轉工況下的應力云圖分別如圖11和圖12所示。各方案在開裂位置的應力對比見表4和表5。

表4 開裂位置一在各工況下的應力對比 MPa

表5 開裂位置二在各工況下的應力對比 MPa

從應力對比來看，方案2強度是最好的，但其增加的質量較多，除去方案2以外，方案3、方案4的強度也較好。由于方案4在計算中墊塊與橫梁連接板為剛性連接，板間的接觸作用沒有體現，而實際經驗中墊塊對應力的分散有一定的作用。綜合考慮，采取了方案4作為此次整改的最終方案。

4 結束語

（1）車架是整車的基礎，要提高整車的可靠性，必須要保證車架質量，避免車架出現開裂等故障。通過有限元分析和電測試驗，可以準確地分析出車架的故障原因。

（2）在現有的材料性能參數下，通過簡化材料的極限應力曲線，對各測試點的應力進行評判，為車輛的動態測試結果數據判斷提供了一種很好的方法。

（3）將有限元分析和電測試驗很好地應用到車架設計中，在借助經驗設計的同時，可以為車架設計提供有力的數據，充分驗證方案的優缺點，從而可以提高設計的合理性。

【1】濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2006.

【2】余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業出版社，2006.

【3】劉濤.汽車設計［M］.北京:北京大學出版社，2008.

【4】趙立軍.汽車試驗學［M］.北京:北京大學出版社，2008.

【5】傅永華.有限元分析基礎［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

【6】李楚琳.HyperWorks分析應用實例［M］.北京:機械工業出版社，2008.