乘用車天窗舉伸臂滑靴斷裂分析及改進(jìn)措施

尋 璋 熊 志

（珠海市瑪斯特汽車零部件有限公司，珠海 519000）

汽車是現(xiàn)代社會廣泛使用的客貨運(yùn)輸工具，目前其不局限于交通工具，汽車服務(wù)需求種類增加。汽車天窗作為行車時(shí)換氣的便利設(shè)備,能夠有效改善駕駛?cè)藛T的駕駛感受，優(yōu)化車內(nèi)采光性及空氣質(zhì)量，是世界各國廠家生產(chǎn)汽車的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。當(dāng)下，全景天窗憑借視野開闊、通風(fēng)良好、減緩車內(nèi)壓抑感等特點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用在汽車上。

1 天窗機(jī)械組結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)說明

1.1 機(jī)械組結(jié)構(gòu)分析

一般而言，天窗主要包括驅(qū)動(dòng)齒輪、電機(jī)，經(jīng)由物理鏈條的傳導(dǎo)力，利用機(jī)械組的運(yùn)動(dòng)，開啟、關(guān)閉或傾斜天窗玻璃。機(jī)械組的總成狀態(tài)如圖1所示，機(jī)械組包括舉伸臂、滑動(dòng)件以及支架三部分，其中，玻璃板連接天窗的支架并進(jìn)行舉伸臂的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)天窗玻璃的各項(xiàng)功能?？梢哉f，舉伸臂在其中扮演著至關(guān)重要的角色，在運(yùn)動(dòng)的過程中，將會產(chǎn)生十分有趣的相對運(yùn)動(dòng)。

圖1 機(jī)械組總成示意圖

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)

本文選擇的項(xiàng)目試驗(yàn)，是在基于實(shí)際路況模擬的基礎(chǔ)上，通過各種天窗的操作，觀察其結(jié)構(gòu)構(gòu)件能否正常工作、相關(guān)性能指標(biāo)是否滿足條件。一般來說，振動(dòng)試驗(yàn)將會跨越若干溫度差，以此觀察其實(shí)際效果，需要在室溫→-20℃→0℃→90℃→50℃→室溫的溫度交替下，不停更換頻率，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)予以振動(dòng)加速，完成本次試驗(yàn)。

2 分析舉伸臂滑靴斷裂的具體原因

2.1 產(chǎn)生問題

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)狀況予以探討，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)過程中，打開設(shè)置后機(jī)械組舉伸臂滑靴發(fā)生斷裂。84h試驗(yàn)后，完成結(jié)果85%，根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，要求在運(yùn)行120h后仍未存在功能性問題，方為合格。

本文選用0.8mm的舉伸臂（規(guī)格HC380LA），利用鈑金沖壓成型，并做好沖壓件表面的防銹工作，最后包塑成型，確保舉伸臂耐磨性及強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 舉伸臂滑靴結(jié)構(gòu)

2.2.1 外觀分析

對于存在問題的舉伸臂滑靴結(jié)構(gòu)展開探討，發(fā)現(xiàn)該類問題構(gòu)件的內(nèi)側(cè)折彎弧度較小，外側(cè)加強(qiáng)筋短，沒有往下延伸。就機(jī)械加工而言，折彎位置角度越小，應(yīng)力將會更加集中，也就更加易于產(chǎn)生斷裂。與此同時(shí)，對于加強(qiáng)筋長度而言，它會在不同程度上影響零件強(qiáng)度，可以說，在受力區(qū)域，加強(qiáng)筋越短，則其強(qiáng)度越小，反之亦然。

2.2.2 結(jié)構(gòu)CAE分析

本文委托高級工程師對圖2中的四個(gè)滑靴結(jié)構(gòu)予以CAE模擬，并分析其潛在影響因素。其中，圖2（a）結(jié)構(gòu)存在折彎角度，加強(qiáng)筋較長；圖2（b）結(jié)構(gòu)存在折彎角度，加強(qiáng)筋較短；圖2（c）結(jié)構(gòu)沒有角度，加強(qiáng)筋較長；圖2（d）結(jié)構(gòu)沒有角度，加強(qiáng)筋較短。

圖2 滑靴結(jié)構(gòu)

根據(jù)CAE模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于動(dòng)態(tài)加載狀況，其最大應(yīng)力分別為57.6MPa（見圖3）、63.0MPa（見圖4）、65.0MPa（見圖5）、68.9MPa（見圖6）。不難看出，圖3結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值最低，所以其斷裂的可能性也是所有結(jié)構(gòu)中的最低項(xiàng)。

2.2.3 斷口微觀

圖3為斷口微觀視圖，通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，主要斷裂原因是疲勞斷裂。內(nèi)角ABCD邊為疲勞源，A點(diǎn)為主源，并從內(nèi)向外擴(kuò)散應(yīng)力，最終在外角JIHG邊臺階處瞬斷。總之，折彎區(qū)域應(yīng)力過于集中，致使發(fā)生斷裂事件。

圖3 斷口微觀結(jié)構(gòu)

2.3 材料分析

通過原材料的物理和化學(xué)性能分析（見表1、表2），其基本滿足HC380LA材料特性，根據(jù)該結(jié)果可以否定材料自身的問題。

2.4 機(jī)械組運(yùn)行阻力分析

實(shí)際運(yùn)行過程中，假如機(jī)械組的阻力過大，將會導(dǎo)致導(dǎo)軌與機(jī)械組摩擦力顯著增加，隨著時(shí)間的延長，二者的間隙也會持續(xù)增大，致使導(dǎo)軌內(nèi)的機(jī)械組存在輕微晃動(dòng)。與此同時(shí)，玻璃負(fù)重致使舉伸臂受力不均衡，從而導(dǎo)致斷裂事件的發(fā)生。通過測試天窗運(yùn)行的電流值，只要電流值在一定范圍內(nèi)，那么則可以認(rèn)定一切運(yùn)行正常。

3 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)方案

導(dǎo)致舉伸臂滑靴斷裂的問題根源為零件因疲勞循環(huán)應(yīng)力的作用，逐步向外擴(kuò)散，最后斷裂。系統(tǒng)分析運(yùn)行阻力、制造工藝以及零件材料之后，發(fā)現(xiàn)其各方面均滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。為此，怎樣更好地解決折彎位置應(yīng)力問題，則成為本文研究的重點(diǎn)。經(jīng)過論證結(jié)果分析，筆者設(shè)計(jì)出以下解決方案：加長滑靴背面加強(qiáng)筋，擴(kuò)大折彎位置圓弧角度（見圖4），增加強(qiáng)筋長度，并控制折彎圓弧半徑在1.7±0.20mm范圍內(nèi)。修改沖壓模具并進(jìn)行制作，可得圓弧顯著擴(kuò)大，如圖5所示，并且加強(qiáng)筋長度隨之加長，如圖6所示。

表1 物理性能

表2 化學(xué)性能

圖4 3D數(shù)據(jù)

圖5 改良樣件

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

確定改進(jìn)方案后，需要對其予以試驗(yàn)驗(yàn)證，分析零件振動(dòng)和沖切力，并在額定荷載條件下予以循環(huán)運(yùn)動(dòng)，頻率為5Hz，如圖7所示。測試發(fā)現(xiàn)，改善前后，該結(jié)構(gòu)斷裂改善前循環(huán)次數(shù)為3195次，改善后循環(huán)次數(shù)為5219次，前后對比可增加2000余次，具有十分顯著的成效。

具體沖切力測試結(jié)果如表3所示，對改善前后5個(gè)零件予以測試，不難看出，改善前的零件沖切力均要弱于改善后零件沖切力2000N，平均提高200N，自身強(qiáng)度優(yōu)化顯著。

圖6 加強(qiáng)筋示意

圖7 振動(dòng)測試過程

表3 沖切強(qiáng)度的前后對比

4 結(jié)論

目前，在汽車領(lǐng)域中，如何更好地提升全景天窗結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保在功能豐富的前提下，提升用戶的安全性，是當(dāng)前亟待解決的重要課題。通過采取合理的改進(jìn)方法，振動(dòng)過程中天窗機(jī)械組的斷裂現(xiàn)象得到較大的改善。在日后的沖壓模具制造和設(shè)計(jì)中，人們要充分注重零件可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況，確保全景天窗結(jié)構(gòu)研究的健康發(fā)展。