汽車(chē)扭力梁失效分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

姜飛

摘 要：隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，扭力梁式半獨(dú)立懸架被越來(lái)越多的車(chē)型所接受，尤其是A及轎車(chē)以及緊湊型SUV。扭力梁式半獨(dú)立懸架介于獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架之間，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小。扭力梁作為扭力梁式半獨(dú)立懸架的核心零部件，本人針對(duì)扭力梁失效及結(jié)構(gòu)優(yōu)化做了深入研究與改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：扭力梁;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;失效分析

1 扭力梁研究的意義

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，扭力梁式半獨(dú)立懸架被越來(lái)越多的車(chē)型所接受，尤其是A及轎車(chē)以及緊湊型SUV。扭力梁式半獨(dú)立懸架在汽車(chē)行駛在顛簸路面時(shí)，左右車(chē)輪上下彈跳時(shí)會(huì)相互牽連，同時(shí)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，使懸架性能介于獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架之間，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低，維修容易，易于裝配維修，占用空間小，降低汽車(chē)底板的高度，增大了后備箱空間，輪胎的磨耗小。 扭力梁作為此款懸架的核心零部件， 它的難點(diǎn)在于中間“V”型橫梁斷面形狀的設(shè)計(jì)，材料屬性的選擇。鑒于扭力梁應(yīng)用廣泛，所以如果進(jìn)行扭力梁的設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)變得非常有意義。

2 試驗(yàn)失效描述

2.1 強(qiáng)化路試失效描述

強(qiáng)化路試失效位置是橫梁與橫梁加強(qiáng)板焊縫收弧處，橫梁整體斷裂，試驗(yàn)完成里程6067Km，未達(dá)到15000Km強(qiáng)化路試要求。

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)失效描述

臺(tái)架試驗(yàn)失效位置是橫梁與橫梁加強(qiáng)板焊縫收弧處，裂紋長(zhǎng)度30mm，試驗(yàn)累計(jì)完成23萬(wàn)次，未達(dá)到循環(huán)40萬(wàn)次的要求。

3 失效原因分析

3.1 臺(tái)架失效件原因分析

臺(tái)架試驗(yàn)與強(qiáng)化路試失效位置基本相同。經(jīng)試驗(yàn)工程師描述，臺(tái)架試驗(yàn)失效件原始裂紋源是焊縫收弧處（如圖1所示），隨著試驗(yàn)逐步擴(kuò)展，試驗(yàn)終止時(shí)裂紋長(zhǎng)度為30mm。如果繼續(xù)試驗(yàn)，裂紋會(huì)一直延伸直至橫梁斷裂。經(jīng)初步分析，原始裂紋源鎖定在焊接收弧處熱影響區(qū)。

3.2 路試失效件原因分析

3.2.1 觀察分析

路試失效件裂紋源同樣鎖定為焊縫收弧處（如圖1所示），具體分析如下，圖2A是路試裂紋區(qū)域放大形貌，紅色箭頭指示半月形區(qū)域的斷口平整，表面因反復(fù)摩擦而呈現(xiàn)金屬光澤，半月形邊緣存在疲勞弧線，如圖中黃色箭頭所示，為疲勞斷裂的宏觀形貌。圖 2B為圖 2A 的掃描電鏡放大像，圖2C為斷口的掃描電鏡放大形貌。在圖2C中可見(jiàn)大部分?jǐn)嗫诮?jīng)過(guò)研磨和氧化，斷口特征已無(wú)法辨別。經(jīng)以上觀察，確定裂紋源為斷口處的半月形區(qū)域，屬于疲勞斷裂。

3.2.2 金相組織分析

在疲勞源附近位置取金相樣品，對(duì)焊接接頭的金相組織進(jìn)行觀察，未見(jiàn)焊接缺陷。母材屬于熱軋高強(qiáng)度鋼板，圖母材的金相組織，由鐵素體和珠光體組成。圖2D是開(kāi)裂位置金相組織，該區(qū)域受焊接熱的影響，晶粒尺寸略高于母材。但裂紋附近的晶粒尺寸與母材相近，金相組織差異并不明顯，焊接不存在缺陷。為了判斷開(kāi)裂位置是否在焊接熱影響區(qū)，采用硬度測(cè)試的方法確定。

3.2.3 硬度檢測(cè)分析

硬度測(cè)試結(jié)果顯示開(kāi)裂位置附近硬度低于母材和焊縫，根據(jù)硬度結(jié)果分析，熱影響區(qū)強(qiáng)度較低，裂紋更容易產(chǎn)生，并沿?zé)嵊绊憛^(qū)擴(kuò)展，初步鎖定裂紋源是焊縫收弧處。

3.2.4 失效分析總結(jié)

經(jīng)以上觀察分析，焊縫金相組織、硬度均不存在問(wèn)題，原始裂紋源鎖定在焊縫收弧處，屬于疲勞斷裂。

4 扭力梁改善優(yōu)化

4.1 橫梁的優(yōu)化

首先，對(duì)扭力梁總成進(jìn)行CAE分析，查看橫梁裂紋源附近的受力情況，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行型面及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改善，直到滿(mǎn)足使用要求。

其次，根據(jù)CAE分析結(jié)果重新對(duì)材料屬性進(jìn)行定義，選擇屈服強(qiáng)度大于500MPa的鋼板材料。

4.2 橫梁加強(qiáng)板的優(yōu)化

改善橫梁加強(qiáng)板型面與橫梁型面的貼合程度，修正加強(qiáng)板的邊線輪廓，避開(kāi)應(yīng)力集中點(diǎn)，最終滿(mǎn)足使用要求。

4.3 焊縫收弧位置及參數(shù)優(yōu)化

改善收弧焊縫的方向與位置，避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域，調(diào)整焊接電流、電壓等焊縫參數(shù)，減少因焊縫帶來(lái)的缺陷及影響。

4.4 扭力梁總成整體噴丸

對(duì)扭力梁焊接總成進(jìn)行整體噴丸，從而去除應(yīng)力強(qiáng)化表面，提高扭力梁的整體強(qiáng)度，改善疲勞壽命。

5 扭力梁改善驗(yàn)證

把經(jīng)過(guò)改善扭力梁總成從新進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)40萬(wàn)次循環(huán)沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂，55萬(wàn)次出現(xiàn)裂紋，疲勞壽命提升了3倍。同批改善樣件搭載強(qiáng)化路試車(chē)輛，滿(mǎn)足了整車(chē)的15000km強(qiáng)化路試。

6 結(jié)束語(yǔ)

扭力梁雖然被越來(lái)越多的車(chē)型接受，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、橫梁截面型面設(shè)計(jì)及材料的屬性選擇依然是難點(diǎn)。扭力梁式半獨(dú)立懸架用極少的零部件構(gòu)成，完成了相對(duì)較為復(fù)雜的工作，所以扭力梁的每個(gè)零部件都起著至關(guān)重要的作用，不可忽視。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文.麥弗遜式前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及優(yōu)化研究[D].華南理工大學(xué)，2018.