某車型后副車架安裝點開裂問題分析及解決

何小顫，姜月，王家鵬，劉磊，馬海清

摘 要：副車架為連接車身和車輪的重要承載零部件。針對某車型后副車架安裝點在臺架試驗與道路試驗中多次出現開裂問題，文章針對試驗中的開裂部位進行了材質化驗、開裂分析、CAE分析與實車驗證，成功解決了此處安裝點開裂的問題。

關鍵詞：副車架安裝點;開裂分析;實車驗證

中圖分類號：U463.32 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2019）23-148-03

Analysis and Solution of Cracking at Installation Point of Rear Sub-frame

He Xiaochan， Jiang Yue， Wang Jiapeng， Liu lei， Ma Haiqing

（ LieBao Automobile Research Institute， Beijing 101300 ）

Abstract： The sub-frame is an important bearing part connecting the body and wheel. The cracks occurred at the installation points of the rear sub-frame of a certain type of vehicle during bench and road tests for many times. In this paper， material testing， cracking analysis， CAE analysis and real vehicle verification are carried out for the cracked parts in the test. The cracking problem at the installation point was successfully solved by the above method.

Keywords： Installation point of sub-frame; Cracking analysis; Vehicle verification

CLC NO.： U463.32 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-148-03

前言

SUV車型具有較大的乘坐空間，較好的舒適性和通過性，越來越多的被更多的家庭所接受。車身除了滿足駕駛員的乘坐需求外，還需要承載輪胎從地面反饋的扭轉與振動。故而車身需要有足夠的強度、剛度要求。車身設計開發驗證過程中，會出現車身鈑金的開裂、失效等問題[1][2]。本文分析了一款SUV車型后副車架車身側安裝點鈑金開裂問題，通過CAE分析與試驗等手段，對問題進行了分析與驗證，為車身鈑金開裂等問題的排查與整改提供了依據。

1 問題描述

在多通道臺架試驗與綜合耐久試驗過程中，后副車架安裝點車身側鈑金出現開裂。開裂詳細情況如表1和圖1所示：

圖1 ?副車架車身側安裝點實車開裂圖

表1 ?后副車架安裝點鈑金開裂情況記錄表

2 原因分析

根據疲勞破壞的過程可知，零件在交變載荷作用下，在結構有缺陷部位或者應力集中部位，結構形成塑性變形結晶，繼而在晶粒界面之間滑移形成微裂紋，然后發展成宏觀裂紋，裂紋擴展到一定程度導致截面再度削弱到截面應力達到強度極限，導致疲勞破壞[3]。

試驗中開裂部位的斷面圖，如圖2所示。從疲勞破壞與結構組成分析，零件的材質性能、沖壓方式、使用條件、焊接方式、安裝方式、試驗條件等諸多方面均與開裂問題相關。試圖找到問題的根本原因，并制定相關措施，現從以上幾方面著手進行原因分析。

圖2 ?后副車架安裝點斷面圖

2.1 安裝點載荷的影響分析

由道路試驗采集的道路載荷譜，按照綜合耐久規范對臺架試驗路面組合與用時進行分析，臺架上下跳動條件下，車身側存在最大應力。

后副車架安裝點加載載荷表2作為加載條件，安裝點處應力云圖如圖3所示：

表2 ?后副車架安裝點加載載荷表

圖3 ?安裝點應力分部圖

根據畸變能密度理論，強度條件為：

（1）

式中：

σ1、σ2、σ3 為3個方向的主應力，[σ]為許用應力。

由分析結果可知，安裝點處的最大應力為219.5Mp，相對于零件板材250Mp屈服極限值，安全系數為1.14，滿足設計要求。

2.2 零件材質性能的影響分析

為確定實際零件的狀態是否滿足設計的技術要求，委托了機械工業通用零部件產品質量監督檢測中心進行零件材質與性能的檢測。從試驗樣車上，切割40mm*80mm的板材樣件交由上述實驗室進行材質成分及性能化驗。化驗結果如表3、表4所示：

表3 ?后地板中橫梁延伸板材料成分與性能表

表4 ?后地板中橫梁延伸板材料厚度表

根據第三方檢測結果，結合供應商的供貨合同原件，可以判定，實際零件滿足設計技術要求。

2.3 沖壓成型的影響分析

根據零件形狀如圖4分析，零件成不規則的“幾”字型，且深度方向尺寸較大，適宜采用拉延方案制作此零件。具體的工序為：拉延-沖孔-修邊-整形。此零件采用拉延方式成型，副車架安裝面是凸模與凹模最先接觸的面，此面在零件拉延過程中材料幾乎不流動，即材料料厚的減薄非常小。減薄位置主要存在于“幾”字型的側面處。故可以分析得到，開裂位置與零件沖壓減薄是不相關的。

圖4 ?后地板中橫梁延伸板3D數模

2.4 副車架安裝點運行條件的影響分析

首次發現零件開裂時，車身安裝側有磨痕和局部掉漆現象，如圖5所示。對比副車架實物與點云，發現副車架實物尺寸與設計尺寸相差較大，局部型面與安裝面間隙小，存在運動干涉情況。懷疑副車架安裝面存在凸點，即與車身安裝時，存在點接觸現象，容易對鈑金形成點接觸的大應力現象，從而引起車身鈑金的局部開裂。若安裝點安裝螺栓打緊扭矩出現衰減時，會使情況更加惡劣。

為了排除上述原因引起的開裂，在多通道試驗臺上，車身側4處安裝點增加了2mm厚度的墊片，如圖6所示，并按照設計力矩進行打緊。在試驗進行到16786km時，白車身鈑金出現開裂。故副車架安裝面不平，打緊力矩未滿足設計要求的情況可以排除。

圖5 ?第一次問題排查圖 ? 圖6 ?增加墊片試驗排查圖

2.5 焊接形式的影響分析

后地板中橫梁延伸板與后副車架安裝管螺母采用CO2氣體保護焊進行焊接，如圖7所示。后地板中橫梁延伸板材料為B210P1，厚度為1.6mm，焊接時焊接線能較大，板料較薄，焊接時，極易出現鈑金焊穿現象。焊接質量較差，對安裝點強度及疲勞影響較大[4]。焊接熱影響區如圖8所示：

圖7 ?后副車架安裝螺母的焊接示意圖

圖8 ?熱影響區分布圖

其中：

1）過熱區域內奧氏體晶粒嚴重長大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌度明顯下降;2）相變重結晶區的金屬相當于進行了正火處理，故其組織為均勻而細小的鐵素體和珠光體，力學性能優于母材;3）不完全重結晶區只有部分組織轉變為奧氏體，冷卻后獲得細小的鐵素體和珠光體，其余部分仍為原始組織，因此晶粒大小不均勻，力學性能也較差;4）再結晶區區域金屬的力學性能變化不大，只是塑性有所增加。

此次試驗開裂區域與焊接熱影響區域吻合，如圖9所示，主要為焊接后熱影響區的性能下降引起的破壞。

圖9 ?零件焊接圖

3 解決措施及驗證

結合以上分析，采取內側增加加強板的方式，加強板通過點焊與后地板中橫梁延伸板固定成小總成，然后副車架安裝螺母與加強板進行CO2保護焊進行固定，如圖10所示，避免CO2保護焊對后地板中橫梁延伸板的焊接影響。

對改進后的結構，進行CAE分析，如圖11所示，安裝點處的最大應力為179.9Mp，遠小于零件板材250Mp屈服極限值，滿足設計要求。

圖10 ?內側增加加強板方案圖 ? 圖11 ?安裝點應力分部圖

實車采用手工樣件進行驗證，如圖12、圖13所示，臺架試驗與道路耐久試驗均未出現開裂問題，開裂問題得到解決。

圖12 ?措施驗證臨時方案圖 ? ? 圖13 ?臺架試驗現場圖

4 結論

根據以上分析可知：1）影響零部件強度的條件除了零件自身材質性能外，成型方式、連接工藝，使用條件等對零件強度有較大的影響;2）CO2氣體保護焊對焊接質量的影響較大，為了減小焊接對零件質量的影響，需要合理設置焊接參數，合理選擇焊件的料厚，以及接頭形式。焊接位置在水平面時，熔池內熔融物受重力影響，容易在較薄板處形成質量缺陷。盡量避免在重要安裝點或者安裝面附近進行CO2氣體保護焊，如無法避免，則可以采用增加加強板的方式。

參考文獻

[1] 宗輝，徐辰強，王剛等.某SUV輪罩開裂問題的分析及設計改進[J].農業裝備與車輛工程，2015（53）：73-76.

[2] 李洪濤，李靜，付明明.奧軒G5車身開裂原因分析.黑龍江交通科技，2014：105.

[3] 王磊，張平，午利民等.前副車架鈑金開裂問題CAE分析及優化.技術導向，2015：51-54.

[4] 方楚才.低合金高強度鋼焊縫熱影響區脆硬及冷裂紋分析.焊管， 2001（24）：24-26.