新能源某車型尾門扭桿的開發(fā)與優(yōu)化

甘柳忠，庫才旗，韋賢毅，萬永紅，藍先，謝寧

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

新能源汽車(純電動)的動力系統(tǒng)由內燃機變成鋰動力電池，由此導致新能源車型的總布置及車身結構發(fā)生較大的改變，例如傳統(tǒng)的發(fā)動機相關系統(tǒng)如進氣系統(tǒng)及進氣格柵、排氣系統(tǒng)、消音器等不再出現(xiàn)在新能源車型上。新能源車型的結構變化賦予其更大自由度的造型設計和總布置；與此同時，較為激進的造型也對車身結構產生重大影響。下文闡述新能源汽車某車型尾門扭桿開發(fā)過程中遇到的斷裂問題，對失效扭桿進行檢測與分析；針對扭桿失效原因提出材料、結構優(yōu)化及工藝改善措施，并對優(yōu)化措施進行試驗驗證和扭桿性能認可。

1 功能及技術要求

尾門設計除了需要保證自身強度性能外，還需要考慮用戶取放行李方便性及附件安裝維修可行性。扭桿彈簧作為行李箱蓋的開啟輔助裝置，需要滿足一系列的技術要求，如表1所示[1]。

扭桿材料為公司工程師指定的彈簧鋼牌號(55CrSi)。使用的彈簧材料必須滿足《汽車禁用物質要求》， 此外彈簧材料還需滿足公司的材料標準。尾門零件滿足公司企業(yè)標準《乘用車尾門扭桿技術條件》中對結構耐久及耐腐蝕的要求。尾門扭桿起始位置扭矩和終止位置扭矩滿足圖紙上標定的數(shù)值，扭矩衰減量不高于規(guī)定值。開關門的時候滿足NVH要求，不能產生異響等(NVH性能目標)。尾門扭桿滿足尾門技術要求中的耐久循環(huán)次數(shù)(耐久試驗要求，結構耐久)。

表1 新能源車型尾門扭桿需要滿足的技術要求

2 檢測、分析與優(yōu)化

2.1 檢測與分析

尾門扭桿的結構形式如圖1(a)所示。CAE分析表明扭桿彎角處為應力集中處，見圖1(b)(c)。

圖1 尾門扭桿的結構形式和CAE分析結果

軟工裝樣件認證中發(fā)現(xiàn)：采用鋼廠A坯料制作的尾門扭桿進行零件耐久性試驗時，進行至20 000次循環(huán)(小于A萬次的目標要求) 時，扭桿發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在扭桿彎角處，如圖2所示。扭桿發(fā)生斷裂的位置與CAE分析結果一致，為扭桿彎角處。對扭桿斷裂樣進行化學成分、斷口分析和金相組織，具體如下所述。

圖2 尾門扭桿斷裂樣件宏觀狀態(tài)和斷口形貌

觀察圖2(c)所示的斷口宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)斷裂源在表面，它對應的圖2(b)中位置表面有長的劃傷。

對斷裂樣件的斷口形貌進行掃描電鏡分析， 斷口形貌如圖3所示。

觀察斷口橫向，發(fā)現(xiàn)斷裂紋源在表面，如圖3(a)表面箭頭所示，其斷裂起點集中于圖3(a)畫圈處。由圖3(b)觀察到斷裂的對面有剪切唇，是最后斷裂。

圖3 斷裂樣件的斷口形貌

對圖3(a)裂紋源處進行放大觀察，其形貌如圖4所示，可觀察到裂紋源表面有一缺口。

圖4 斷裂扭桿裂紋源處的放大圖

OES光譜儀分析表明：失效扭桿(55CrSi)各元素的化學成分符合技術要求；金相檢測其組織為回火屈氏體。

對失效扭桿的表面進行觀察，發(fā)現(xiàn)部分失效扭桿彎角處有脫碳現(xiàn)象，如圖5所示。DALAEI等[2]對51SiCr7彈簧鋼進行研究，發(fā)現(xiàn)表面脫碳會大幅降低彈簧的疲勞壽命。張凱等人[3]研究發(fā)現(xiàn)加熱過程中水汽對55SiCr彈簧鋼的脫碳產生重要影響，需要在彈簧熱處理過程中控制熱處理的氣氛。

圖5 部分失效扭桿觀測到脫碳(箭頭指示處為脫碳)

此外，通過掃描電鏡觀察部分失效扭桿的芯部組織，發(fā)現(xiàn)有少量的帶狀組織，即存在于晶界上的薄膜狀碳化物，如圖6中箭頭所示。中高碳合金鋼中過多的帶狀組織也會降低扭桿彈簧的疲勞壽命[4-5]。

圖6 部分失效扭桿芯部觀測到少量的帶狀組織(箭頭所指)(×5 000)

綜合上述分析：扭桿裂紋源起于表面，裂紋源表面處有明顯的缺陷損傷。扭桿是由表面缺陷損傷引發(fā)裂紋源從而導致的疲勞斷裂[6-7]。同時，表面脫碳和芯部帶狀組織的存在，也會大幅降低扭桿的疲勞壽命[2-4]。

2.2 改善措施與優(yōu)化

針對扭桿表面的缺陷損傷，對原材料(引入鋼廠B的坯料共同進行驗證)、拉絲及油淬火工藝、扭桿結構優(yōu)化和扭桿成形工裝的全流程環(huán)節(jié)進行控制和改善，如表2所示。

由表2可知：為了驗證原材料對扭桿質量的影響，引入另一家鋼廠B的坯料進行共同驗證。材料工程師負責跟蹤鋼廠A和鋼廠B的坯料質量(抑制帶狀組織和表面脫碳)以及后續(xù)的拉絲、油淬火工藝處理，確保其表面質量符合材料標準的技術要求。拉絲和油淬火工藝方面，主要通過優(yōu)化油淬火工藝參數(shù)以獲得最佳表面質量的彈簧。產品結構優(yōu)化方面，產品工程師負責優(yōu)化扭桿結構，對扭桿彎角進行圓角優(yōu)化。最終的成形工藝由扭桿彈簧廠負責：改進成形工裝，改善扭桿表面的壓痕；優(yōu)化成形速率等成形工藝參數(shù)，盡可能地減少扭桿表面的壓痕及損傷等缺陷。

表2 扭桿質量的改善控制措施與結構優(yōu)化

2.3 試驗驗證及認可

通過上述控制措施的實施，扭桿彈簧表面質量得到改善。將扭桿(鋼廠A和鋼廠B)裝到樣車上進行試驗，如圖7—圖8所示。

圖7 尾門扭桿的耐久性試驗

圖8 試驗完成后的扭桿

采用兩家鋼廠坯料制備的扭桿均通過了尾門扭桿耐久性試驗，滿足技術規(guī)定的循環(huán)次數(shù)(A萬次循環(huán))，且扭桿扭矩的衰減量符合技術標準規(guī)定的數(shù)值。

扭桿的其他驗證項目如NVH、人機工程和耐腐蝕等驗證結果如表3所列。

通過從材料到結構到工藝系列改進措施的實施，最終采用兩個鋼廠坯料制作的扭桿彈簧均符合技術要求，通過所有驗證項目的認證，完成開發(fā)任務，確保車型項目的量產日期。

表3 尾門扭桿的驗證項目及其結果

3 總結

因新能源車型的造型和尺寸等特征發(fā)生變化(造型的自由度更高)，新能源車型尾門扭桿在開發(fā)過程中遇到了新的問題。針對出現(xiàn)的扭桿斷裂問題，分析其原因為：(1)成形工裝對扭桿表面產生壓痕損傷，產生裂紋源，裂紋源沿垂直斷口表面的方向呈射線狀擴展，最終疲勞斷裂，是扭桿失效的主要原因；(2)部分扭桿表面有脫碳；(3)扭桿芯部組織存在少量的帶狀偏析。表面脫碳和帶狀偏析降低扭桿的疲勞壽命。

針對開發(fā)中遇到的問題，從原材料、拉絲及油淬火工藝、結構優(yōu)化和圓角優(yōu)化、成形工裝及成形工藝方面進行了全流程的控制和改善。經優(yōu)化改善后的扭桿符合技術要求，通過各項驗證試驗，最終順利交付車型項目。