車架局部斷裂問題原因分析及改進(jìn)

張康, 王瑞重, 范秋珍

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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車架局部斷裂問題原因分析及改進(jìn)

張康1,2, 王瑞重1,2, 范秋珍1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

對汽車車架的強(qiáng)度分析及性能改進(jìn)進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)分析了擺臂安裝支架及加強(qiáng)板開裂問題的原因調(diào)查及整改優(yōu)化，并且初步探討了車架的發(fā)展趨勢以及研究方向。

車架；斷裂；有限元分析

0 引言

車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質(zhì)量的有關(guān)機(jī)件，承受著傳給它的各種力和力矩。

車架應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證它有足夠的可靠性與壽命、縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形和開裂。

車架的性能將直接影響到行車安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和舒適型，是車輛極其重要的安全件，而開裂也是車架常見的問題之一。有效分析并找到問題發(fā)生的原因，對于提高車架性能有重要意義。文中通過有限元分析和整車道路試驗(yàn)，對擺臂安裝支架及開裂問題進(jìn)行調(diào)查分析，并提出改進(jìn)措施。

1 有限元分析

1.1 模型建立

車輛行駛的過程中經(jīng)歷的工況復(fù)雜多樣，車架承受行駛時(shí)所受的沖擊、扭曲、慣性載荷等，其主要的變形方式為扭轉(zhuǎn)和彎曲。故根據(jù)其特點(diǎn)，采取下述5種經(jīng)典工況進(jìn)行車架強(qiáng)度分析：

工況一：車架在汽車前輪撞擊路肩時(shí)引起車架整體扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度；

工況二：車架在汽車后輪撞擊路肩時(shí)引起車架整體扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度；

工況三：車架在汽車前輪輪跳引起車架彎曲時(shí)的強(qiáng)度；

工況四：車架在汽車后輪輪跳引起車架彎曲時(shí)的強(qiáng)度；

工況五：車架在扭轉(zhuǎn)工況時(shí)的強(qiáng)度。

根據(jù)車型數(shù)據(jù)，利用HyperMesh軟件建立車架及其周邊件的強(qiáng)度分析模型。如圖1所示，采用慣性釋放方式，考慮材料非線性，利用Abaqus求解器求解，車架各零件所受最大應(yīng)力應(yīng)小于材料屈服強(qiáng)度。

圖1 車架強(qiáng)度分析模型

1.2 分析及結(jié)果統(tǒng)計(jì)

將車架各零部件所受應(yīng)力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表1 仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

1.3 分析結(jié)論

從表1可以看出：左側(cè)加強(qiáng)板最大應(yīng)力為432.3 MPa，右側(cè)加強(qiáng)板最大應(yīng)力為438.3 MPa，超過材料屈服強(qiáng)度極限，存在開裂的風(fēng)險(xiǎn)。左側(cè)加強(qiáng)板和右側(cè)加強(qiáng)板應(yīng)力分布示意圖如圖2所示。

圖2 應(yīng)力分布示意圖

上擺臂支架加強(qiáng)板主要支撐懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，在行駛過程中承受大且頻繁的沖擊。

有限元分析完成后，進(jìn)行整車可靠性試驗(yàn)，對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 整車可靠性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

(1)為了保證車架結(jié)構(gòu)受到與有限元分析等效的試驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)進(jìn)行緊急轉(zhuǎn)向、向后制動(dòng)、搓板路制動(dòng)以及其他不平整路面制動(dòng)試驗(yàn)；

(2)道路類型包括扭曲路、塊石路、坑洼路等；

(3)在車輛滿載情況下進(jìn)行試驗(yàn)；

(4)試驗(yàn)里程數(shù)根據(jù)車型以及熱銷產(chǎn)地的路況制定，文中采用的里程數(shù)為15 000 km；

(5)在條件允許的情況下，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上，在有限元分析確定的應(yīng)力集中點(diǎn)位置貼上應(yīng)變片以測試實(shí)際工況時(shí)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，車輛每行駛500 km，對車輛狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并在試驗(yàn)記錄單上進(jìn)行登記。

車輛進(jìn)行到10 000 km時(shí)，發(fā)現(xiàn)擺臂安裝支架及加強(qiáng)板開裂，由于無法修復(fù)，試驗(yàn)停止。具體部位見表2。

表2 故障點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

由于根據(jù)有限元分析結(jié)果，擺臂安裝支架在各個(gè)工況所受應(yīng)力均遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度極限，故初步確認(rèn)：(1)加強(qiáng)板在車輛行駛過程中，首先在倒角位置發(fā)生開裂；(2)加強(qiáng)板本身性能減弱后，焊道強(qiáng)度降低發(fā)生斷裂；(3)擺臂安裝支架失去加強(qiáng)板的支撐作用后，發(fā)生斷裂。

2.3 問題發(fā)生部位結(jié)構(gòu)

在對問題進(jìn)行分析之前，先對故障件的特性、布置以及與周邊件的連接形式進(jìn)行分析，確認(rèn)在車輛行駛過程中故障件受力情況。

加強(qiáng)板周邊件布置形式，如圖3所示；連接形式描述，如圖4所示；故障區(qū)域定位示意圖，如圖5所示。

圖3 周邊布置示意圖

圖4 連接形式

圖5 故障區(qū)域示意圖

加強(qiáng)板及周邊件特性，如表3所示。

表3 故障件及其周邊布置信息統(tǒng)計(jì)

2.4 原因分析

根據(jù)布置形式進(jìn)行分析，確認(rèn)移動(dòng)對應(yīng)的載荷方向，在中間剖開進(jìn)行簡單示意，如圖6所示。

圖6 載荷運(yùn)動(dòng)示意圖

通過理論分析及整車道路試驗(yàn)對比驗(yàn)證，得出結(jié)論：

(1)根據(jù)布置形式發(fā)現(xiàn)，擺臂安裝支架位置僅有加強(qiáng)板進(jìn)行支撐，無法有效承受來自懸架載荷分解的應(yīng)力；

(2)加強(qiáng)板應(yīng)力集中，且接近屈服強(qiáng)度極限值，在反復(fù)載荷以及沖擊載荷的共同作用下，結(jié)構(gòu)容易變形，性能降低，發(fā)生開裂；

(3)反復(fù)載荷會使焊接部位變得脆弱，從而發(fā)生開裂；

(4)擺臂安裝支架是由于加強(qiáng)板及連接焊道開裂進(jìn)而引發(fā)問題的，故可認(rèn)為提高加強(qiáng)板性能即可解決擺臂安裝支架開裂的問題。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 加強(qiáng)板優(yōu)化方案

由于整車布置形式已經(jīng)固化，懸架載荷承受方式相同，故針對此問題優(yōu)化加強(qiáng)板本身結(jié)構(gòu)來分解懸架系統(tǒng)載荷。

優(yōu)化方向：

(1)將加強(qiáng)板形狀延長至側(cè)面，從而提升對載荷的抗性；

(2)增加焊接部位的截面積；

(3)提高擺臂安裝支架本身的剛度，提高安全系數(shù)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式如圖7所示。裝配效果展示，如圖8所示。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化描述

圖8 改善前后對比示意圖

3.2 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

制件結(jié)構(gòu)完成優(yōu)化后，應(yīng)進(jìn)行工藝分析，確保可進(jìn)行批產(chǎn)，否則的話需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝優(yōu)化。此制件在拐彎處(如圖9所示)成型困難，需進(jìn)行處理保證后期量產(chǎn)。

圖9 改善前后對比示意圖

3.3 擺臂安裝支架優(yōu)化方案

在加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對擺臂安裝支架的薄弱位置進(jìn)行強(qiáng)化，以提高整車安全系數(shù)，如圖10所示。

圖10 塞焊點(diǎn)位置

3.4 分析驗(yàn)證

針對優(yōu)化后的加強(qiáng)板進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證性能改進(jìn)的效果，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后加強(qiáng)板應(yīng)力有限元分析結(jié)果

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，極限應(yīng)力值降低107 MPa至308 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度極限400 MPa，通過理論確認(rèn)加強(qiáng)板開裂問題消除。

為了保證產(chǎn)品優(yōu)化方案的有效性，理論分析完成后，重新安排整車可靠性試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果論證，10 000 km可靠性試驗(yàn)完成后，加強(qiáng)板及擺臂安裝支架未發(fā)生開裂，此問題圓滿解決。

4 總結(jié)

在汽車車架開發(fā)過程中，有限元分析已經(jīng)是不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)手段，不但能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題點(diǎn)加以預(yù)防，同時(shí)在問題發(fā)生后，能迅速根據(jù)模型推斷出問題發(fā)生的根本原因，供設(shè)計(jì)工程師參考。如文中仿真模擬時(shí)已分析出加強(qiáng)板應(yīng)力集中，并根據(jù)它所承受的系統(tǒng)載荷即可確定此零件在車輛行駛過程中有發(fā)生問題的風(fēng)險(xiǎn)，故在設(shè)計(jì)初期，對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少后期車型試驗(yàn)時(shí)發(fā)生問題而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)變更費(fèi)用。

利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠有效保證支撐懸架系統(tǒng)載荷且不大幅度增加車質(zhì)量，符合車架發(fā)展趨勢，且在車架未來發(fā)展過程中，輕量化設(shè)計(jì)更是車架開發(fā)的一個(gè)重要指標(biāo)。

作者僅對車架局部開裂一個(gè)典型問題的解決進(jìn)行了闡述，針對車架強(qiáng)度以及其他性能的開發(fā)，還有很多研究工作要做：

(1)文中在對車架進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析時(shí)，工況是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者借鑒其他公司的，而為了獲得更加真實(shí)的分析結(jié)果，應(yīng)當(dāng)結(jié)合車型所在銷售地區(qū)的路況采集功率譜文件，并使用動(dòng)力學(xué)軟件比如ADAMS等建立整車的多體動(dòng)力學(xué)模型，將整車多體動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果作為車架有限元強(qiáng)度分析所需要的載荷譜，對車架進(jìn)行有限元分析，路況不是單一存在的，應(yīng)建成數(shù)據(jù)庫形式；

(2)疲勞斷裂是車架經(jīng)常出現(xiàn)的問題，文中針對車架進(jìn)行了靜態(tài)強(qiáng)度分析，而沒有對其進(jìn)行疲勞分析，因此今后可以在文中所建立的車架有限元分析模型的基礎(chǔ)上對該車架進(jìn)行疲勞分析。

(3)文中所述結(jié)構(gòu)對車架剛度以及模態(tài)影響較小，但是剛度及模態(tài)也是衡量車架好壞非常重要的性能指標(biāo)，因此后續(xù)應(yīng)對車架的剛度及模態(tài)進(jìn)行研究。

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Investigation and Improvement of Local Fracture of Frame

ZHANG Kang1,2，WANG Ruizhong1,2，F(xiàn)AN Qiuzhen1,2

(1.Technical Center,Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China;2.Hebei Automotive Engineering Technology Research Center, Baoding Hebei 071000, China)

The strength analysis and performance improvement for the chassis frame were summarized. The cause investigation and optimization for swing arm mounting bracket cracking and the reinforcing plate cracking were made. The future development trend and research direction of the frame were analyzed.

Frame; Fracture; Finite element analysis

2015-11-21

張康(1987—)，男，本科,助理工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。E-mail：18233319750@163.com。

U463.83+1

B

1674-1986(2016)02-042-06