側(cè)置備胎架失效分析與改進(jìn)

申伶，趙化剛，吳濤

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

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側(cè)置備胎架失效分析與改進(jìn)

申伶，趙化剛，吳濤

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

為解決側(cè)置備胎架失效率高的問(wèn)題，采用質(zhì)量工具及理化分析方法，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)方面入手，找出了影響備胎架失效的關(guān)鍵影響因子，提出從結(jié)構(gòu)方面對(duì)備胎架進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)CAE分析方法對(duì)改進(jìn)前后的備胎架總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、耐久分析及驗(yàn)證，改進(jìn)效果佳。

側(cè)置備胎架；有限元分析；線(xiàn)性靜態(tài)；靜力形變

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.058

CLC NO.: U463.99 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-165-02

引言

為滿(mǎn)足重型汽車(chē)系列化、配置多樣性的要求，開(kāi)發(fā)了多種軸距、多種布置方式的車(chē)型。尤其是近年來(lái)物流行業(yè)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)各類(lèi)型載貨車(chē)的需求逐步增大，基于目前中、長(zhǎng)途車(chē)輛的使用情況：車(chē)輛在行車(chē)途中攜帶備胎是必不可少的，但現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的備胎架結(jié)構(gòu)雖滿(mǎn)足了輕量化的需求，但是其強(qiáng)度略顯不足，售后故障率較高，市場(chǎng)反應(yīng)不佳。因此，一款通用性更高、可靠性更好、操作更方便同時(shí)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的側(cè)置備胎架是很有必要的。

1、問(wèn)題概述

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有的側(cè)置備胎架自2014年9月開(kāi)始批量使用，到2015年5月累計(jì)使用量為1856件，由于該側(cè)置備胎架只用于少數(shù)類(lèi)別的公路車(chē)輛，故其使用量不是特別大，但是其售后故障數(shù)量卻相對(duì)較多，到達(dá)37件之多，故障率達(dá)1.99%，售后索賠也相對(duì)較高，而且隨著車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間增加，失效率會(huì)逐漸增加，如不改進(jìn)，索賠金額會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。對(duì)該段時(shí)間售后市場(chǎng)返回的故障件進(jìn)行失效模式識(shí)別，失效圖片見(jiàn)圖1，失效模式統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

圖1　側(cè)置備胎架失效圖片

從表1可以看出，支架開(kāi)裂損壞比例高達(dá)81.1%，超過(guò)了80%，按照“關(guān)鍵的少數(shù)”原則，對(duì)其實(shí)施改進(jìn)。

表1　側(cè)置備胎架失效模式統(tǒng)計(jì)

2、側(cè)置備胎架失效分析［1］及改進(jìn)措施

對(duì)售后故障件進(jìn)行理化分析，發(fā)現(xiàn)材料成分及強(qiáng)度符合圖紙要求，進(jìn)一步進(jìn)行潛在失效模式與后果分析，該側(cè)置備胎架損壞是由于結(jié)構(gòu)不合理，承受沖擊強(qiáng)度不夠，在沖擊載荷的交變作用下發(fā)生變形、開(kāi)焊，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。因此，備胎架支架自身承載力差是造成損壞的主要原因。要降低其失效率，只能是從自身解決，即提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度、降低應(yīng)力集中。

該備胎架選用材料為Q345A,其抗拉強(qiáng)度470～630MPa，屈服強(qiáng)度345MPa，伸長(zhǎng)率21%，板材厚度為6mm，根據(jù)損壞的備胎架狀態(tài)分析，由于該結(jié)構(gòu)備胎架底板平面面積過(guò)大，支架整體剛度較小，在連續(xù)的交變載荷情況下易發(fā)生變形，造成上部加強(qiáng)筋焊接脫開(kāi)，在持續(xù)的交變應(yīng)力作用下板材發(fā)生開(kāi)裂。若要改善其受力狀況，首先需減小備胎架底部平面的面積，通過(guò)更改備胎安裝孔位可實(shí)現(xiàn)。其次，要提高支架結(jié)構(gòu)的整體剛度，需從支架結(jié)構(gòu)方面入手，新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提高支架整體剛度。同時(shí)，還要適當(dāng)加厚其板材厚度，將原來(lái)的6mm厚增加為8mm厚的鋼板。以上三方面同時(shí)體現(xiàn)，提升支架強(qiáng)度。

3、設(shè)計(jì)改進(jìn)并對(duì)改進(jìn)前后備胎架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析

在進(jìn)行CAE線(xiàn)性靜態(tài)分析時(shí)，備胎重量按130kg，考慮到垂向動(dòng)態(tài)沖擊，取沖擊加速度為2.5G，則豎直向下的載荷為3250N。同時(shí)考慮到車(chē)輛急加、減速時(shí)的沖擊，其沖擊加速度為取1G，則前后方向的加載載荷為1300N。

對(duì)改進(jìn)前后的備胎架支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如下：

1）對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后進(jìn)行了CAE線(xiàn)性靜態(tài)分析（見(jiàn)圖2、圖3所示），可見(jiàn)改進(jìn)前支架最大應(yīng)力為249.7MPa，改進(jìn)后支架最大應(yīng)力降為 91.6MPa，強(qiáng)度提升了63.3%，支架受力狀況有了很大的改善。

2）對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后進(jìn)行了彎曲靜力形變分析（見(jiàn)圖4、圖 5所示），可見(jiàn)改進(jìn)前支架在沖擊作用下最大變形量為0.737mm，改進(jìn)后最大變形量降為 0.093mm，變形量減小了87.4%，有效提升了支架的使用壽命。

圖2　原結(jié)構(gòu)線(xiàn)性靜態(tài)分析應(yīng)力云圖

圖3　改進(jìn)結(jié)構(gòu)線(xiàn)性靜態(tài)分析應(yīng)力云圖

圖4　原結(jié)構(gòu)彎曲靜力分析形變圖

圖5　改進(jìn)結(jié)構(gòu)彎曲靜力分析形變圖

4、結(jié)論

對(duì)比改進(jìn)前后備胎架支架的線(xiàn)性靜態(tài)分析及彎曲靜力形變分析結(jié)果，可見(jiàn)改進(jìn)后支架的靜應(yīng)力及變形量都有了很大程度的降低，支架的剛度及強(qiáng)度得到了很大的提升。此次改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠有效的提高支架的使用壽命，降低售后市場(chǎng)故障率，從而能夠有效地減少索賠，為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益。

[1] 馬林,何楨.六西格瑪管理[M].第二版.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社, 2007.

Offset spare wheel carrier Failure Analysis and Improvement

Shen Ling, Zhao Huagang, Wu Tao
( Shaanxi Heavy Automobile Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

To solve the problem of high failure rate on offset spare wheel carrier, a quality-tools and chemical analysis methods are adopted.Key influencing factors are found by focusing on the structural analysis, which caused the spare wheel carrier failure. Then an improved design was proposed from its structure. And the new structure of the spare wheel carrier assembly conducted stress analysis, durability analysis by CAE methods. The results showed that the improved effect was good by comparing the structures before and after improvements.

offset spare wheel carrier; finite element analysis; radial fatigue; bending fatigue

申伶，助理工程師，就職于陜西重型汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，主要從事零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

U463.99

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1671-7988 （2016）06-165-02