某乘用車懸架控制臂早期斷裂原因分析及改進

官勇健 尹輝俊 李鵬宇 張婷婷 曹稚英

摘 要：針對某乘用車副車架在疲勞臺架試驗中控制臂早期斷裂問題，采用有限元法對控制臂進行靜力分析且找出了結構薄弱位置，利用應力應變電測試驗驗證了控制臂有限元模型的正確性.從焊接結構出發，分析了控制臂早期斷裂的原因，并以此為依據提出了一種改進方案.根據改進方案試制控制臂樣件并對其進行電測試驗，結果表明：改進后控制臂焊接接頭局部應力下降明顯；通過疲勞臺架試驗證明，改進方案解決了控制臂早期斷裂問題.

關鍵詞：控制臂；電測試驗；應力集中；焊接接頭；疲勞臺架試驗

中圖分類號：U463.1 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.009

0 引言

隨著汽車行業的快速發展，車輛的行駛速度越來越高，對整車的操縱穩定性與行駛平順性有了更高的要求，因此汽車懸架系統變得至關重要[1-2].懸架系統作為汽車的重要組成部分，其主要功能是傳遞作用于車架與車輪之間的力和力矩，并且緩沖由不平路面帶來的沖擊及振動，確保汽車行駛平順性和乘坐舒適性[2].控制臂作為汽車懸架系統的重要組成部分，有效地支撐著車輪帶來的各個方向的力并且承載著車身帶來的各向外力[3]，其強度和剛度特性直接影響著懸架系統的綜合性能，所以控制臂對整車行駛平順性及穩定性有著極其重要的作用.車輛在道路行駛過程中，由于受到來自不平路面的激勵作用，汽車底盤部件承受著復雜的交變載荷，在應力集中最大位置極易發生局部塑性變形.隨著循環載荷次數的增加，逐步產生裂紋、裂紋繼續擴展并最終導致控制臂的疲勞斷裂[4].因此，在汽車開發初期對汽車底盤部件進行疲勞臺架試驗變得尤為重要.

某乘用車副車架在縱向疲勞耐久性試驗時，控制臂焊縫邊緣過渡處出現早期斷裂現象未達到設計要求，控制臂斷裂位置如圖1所示.為解決這一問題，首先，對問題控制臂進行有限元分析，找出了控制臂薄弱位置；然后，對問題控制臂進行電測試驗，驗證了控制臂有限元模型的準確性；接著，從焊接結構出發，分析控制臂斷裂原因，并提出一種改進方案，改善焊接接頭位置的應力分布情況；最后通過疲勞臺架試驗證明，改進后控制臂焊縫邊緣過渡處不再出現早期斷裂問題.

1 有限元分析

該控制臂的結構由五部分組成，分別為臂體、加強板、水平襯套、垂向襯套和球鉸，控制臂結構如圖2所示.

1.1 有限元模型建立

此控制臂為薄板沖壓焊接結構，故在有限元分析過程中以殼單元[5]對其進行建模.采用剛性單元通過對自由度的限制來模擬控制臂和副車架襯套及球鉸處的連接[6]. T型焊接接頭可使用實體單元或者殼單元進行建模.由于采用實體單元計算得到的結構應力集中系數同采用殼單元求解出的結構應力集中系數非常接近[7]，而采用殼單元建模大大減少了網格數量，可適用于各種形狀復雜的焊接接頭建模，故采用殼單元模擬臂體與加強板連接的 T型焊接接頭.其余焊縫采用實體單元模擬，長度與實際焊縫長度一致.建立控制臂有限元模型如圖3所示.

1.2 材料屬性

此控制臂材料為SAPH440汽車結構鋼，其出廠狀態如下：屈服強度為305 MPa，抗拉強度為440 MPa.按照材料的實際屬性，將控制臂有限元模型的泊松比取為0.3，材料密度為7.8×10-9 t/mm3，楊氏模量取為2.1×105 MPa.不考慮焊接處材料的特性變化，認為焊接處的材料屬性與母材的材料屬性相同[8].

1.3 邊界約束及載荷施加

副車架的極限工況為加速工況和制動工況，其中加速工況尤為惡劣.根據某企業《乘用車前后副車架臺架疲勞耐久試驗規范》，控制臂在加速工況下縱向拉伸8 000 N.此工況約束副車架與車身安裝點（③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩點）的X、Y、Z三個方向移動自由度[9]，依此工況的受力情況在控制臂球鉸處（①、②點）X負方向施加8 000 N作用力，螺栓及襯套均以剛性單元模擬，控制臂與副車架有限元模型及邊界條件如圖4所示.

1.4 應力分析

利用有限元軟件Hypermesh對控制臂進行前置處理，以Optistruct為求解器，對控制臂進行加速工況下的有限元分析，得到應力分布云圖如圖5所示.分析應力云圖，加強板與臂體焊縫邊緣過渡處應力較大，約為230 MPa，離開該位置應力急劇減小并趨于穩定.

2 應力測試

2.1 測試介紹

為驗證控制臂有限元模型的正確性，對控制臂進行應力應變電測試驗.根據疲勞臺架試驗中的控制臂斷裂情況，再結合有限元分析結果[10]，分別在左右臂體兩側設立測點1、測點2，加強板上設立測點3、測點4，測點分布情況見圖6.使用東華DH3816靜態應變儀進行測試，根據加速工況下的載荷條件，借助疲勞臺架測試系統對控制臂縱向施加8 000 N作用力，測試其應力值，測試現場如圖7所示.

2.2 測試數據處理與分析

控制臂在加速工況下有限元計算數據與電測測試數據進行對比，對比結果見表1.對比結果表明，測點1和測點2兩處誤差相對較大，最大誤差為13.12%.其原因為：測點1和測點2在模型中的位置為曲面，應力梯度變化較大，且模型網格大小統一，以致在曲面上網格稀疏，產生物理離散誤差影響模型計算精度.根據經驗認為此計算模型和分析方法基本可靠.

3 控制臂斷裂分析及結構改進

控制臂為沖壓焊接件.由于焊縫形狀與焊縫位置分布不同，在外力作用下，焊接接頭位置應力分布不均勻，通常使用應力集中來表示應力分布不均勻程度.應力集中是指接頭局部位置應力最大值比平均應力值高的現象，常用應力集中系數[11]來表示.

如圖8所示，焊縫被截斷分成兩條不連續焊縫，不連續處形成 I型槽.在拉伸應力作用下，局部會產生應力集中現象.在靠近槽局部區域，應力急劇增加；離開槽邊緣稍遠處應力迅速減小，并趨于均勻.應力集中程度的大小，常用理論應力集中系數[ασ][12]表示：

理論應力集中系數反映了應力集中的程度，焊接結構的應力集中現象越為嚴重，它的數值就越大，對焊接結構的影響越大.根據有限元分析結果，控制臂臂體與加強板連接的焊縫邊緣過渡處應力較大，約為230 MPa.離開焊縫邊緣過渡處應力迅速下降趨于平緩，約為170 MPa.由式（1）可知，該處理論應力集中系數較大，應力集中現象較為嚴重.

焊接接頭的基本形式主要分為角接接頭、 T型接頭、對接接頭和搭接接頭等4種.由于焊縫的形狀不同，接頭的應力集中系數也不相同，對焊接接頭的疲勞性能影響亦不同.臂體與加強板之間使用 T型接頭連接. T型接頭焊縫向母材過渡較為急劇，接頭在應力作用下力線扭曲較大，應力分布極不均勻，在焊縫邊緣過渡處易產生很大的應力集中[11]，T型接頭焊縫邊緣過渡處疲勞極限相對較低.

工程實際中，有些運動構件在工作時其內部的應力常常會隨時間做周期性變化，這種隨時間做周期變化的應力稱為交變應力.實踐表明，金屬材料在交變應力作用下引起的失效與因靜力引起的失效完全不同.交變應力引起的失效特征為疲勞極限遠低于材料靜載荷強度極限或甚至低于屈服極限[13]，隨著循環次數的增加，進而產生裂紋最終導致疲勞斷裂.控制臂為汽車底盤零部件，承受著復雜的交變應力，故其疲勞極限相對較低.

由于零件的疲勞極限降低程度不能直接通過理論應力集中系數進行判斷，工程上通常用有效應力集中系數K[σ]來表示疲勞極限真實降低程度[12]，即：

由式（2）可知：提高缺口試樣疲勞極限可使有效應力集中系數減小，降低應力集中程度，進而提高工件的疲勞壽命.控制臂為汽車底盤零部件，承受著復雜的交變應力，故其疲勞極限相對較低.在交變應力作用下，T型接頭焊縫邊緣過渡處疲勞極限較低，有效應力集中系數過大，隨著加載次數的增加進而發生疲勞斷裂現象.

通過以上分析可知：將焊縫1、焊縫2合并并延長成焊縫4，可提高了焊縫的疲勞極限，降低了應力集中程度，從而提高控制臂疲勞壽命.控制臂改進圖如圖9所示.

4 改進方案的驗證

4.1 加速工況的靜力分析

按上述材料屬性及邊界條件建立改進控制臂有限元模型，對控制臂進行加速工況下的靜力分析，得到應力分布云圖如圖10所示.改進后的控制臂應力分布均勻，應力集中現象得到顯著改善.

4.2 應力測試

根據改進方案試制樣件，按前述測試方法對改進后的控制臂進行應力應變電測試驗，測點布置與改進前相同，借助疲勞臺架系統對控制臂縱向施加8 000 N作用力.將電測試驗數據與有限元計算數據進行對比，改進后的數據對比結果見表2.由表2可知，加速工況下有限元分析數據與電測試驗數據基本吻合，最大誤差為12.09%.

4.3 電測數據對比分析與評價

根據表2電測試驗數據，將控制臂焊接結構改進前與改進后電測試驗數據進行對比，對比結果見表3.

由表3可知：改進控制臂在測點1、測點2處應力分別為171.67 MPa、172.48 MPa，相比改進前試驗值最大降低15.86%；測點3、測點4處應力稍有增加，各點應力朝著一個中間值進行靠攏，應力集中現象得到改善.

4.4 疲勞臺架試驗驗證

疲勞臺架試驗采用雙通道電液伺服疲勞試驗機，按某企業《乘用車前后副車架臺架疲勞耐久試驗規范》，在左右控制臂球鉸處縱向施加8 000 N交變載荷，以模擬加速和制動工況.圖11為疲勞臺架試驗工作圖.根據某廠家設計要求，控制臂在加速工況下正常工作12萬次，不發生明顯地永久變形或出現裂紋.對改進控制臂進行多批次疲勞臺架試驗，改進后控制臂未出現早期斷裂問題，進一步驗證了改進方案的可行性.

5 結論

1）對問題控制臂進行有限元靜力分析，并對關鍵點進行了應力應變電測試驗.試驗結果表明：電測試驗數據與有限元分析數據基本吻合，誤差最大為13.12%，驗證了控制臂有限元分析的正確性，為后續控制臂結構改進提供參考.

2）從焊接結構出發，分析了控制臂早期斷裂原因并提出一種改進方案.對改進后控制臂進行電測試驗，相比改進前試驗值最大降低15.86%；測點3、測點4處應力稍有增加，各點應力朝著一個中間值進行靠攏，應力集中現象得到改善，為汽車相關零部件的焊縫結構布置提供了可行的參考方案.

3）采用雙通道電液伺服疲勞試驗機，根據疲勞試驗規范，對改進控制臂進行疲勞臺架試驗.改進方案經多批次疲勞臺架試驗證實，控制臂未出現早期斷裂問題，進一步驗證了改進方案的可行性.

綜上所采用的方法對解決控制臂早期斷裂問題有較好的實用價值，對其他車型底盤零件結構強度的提升有一定的指導意義.

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