某輕型電動客車扭桿安裝點強度優化

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

0引言

根據市場客戶需求，對某輕型國六燃油客車拓展為電動客車車型，為增大電池和后部驅動系統布置空間，提高電池容量和續航里程，對扭桿長度進行縮短。為縮短項目開發周期，采用現有扭桿縮短零件進行試制裝車（圖1）。

試制樣車完成后直接進行SPC耐久試驗考核，在耐久試驗2945 km后，出現左/右扭桿安裝座安裝處橫梁裂損失效現象，扭桿無支撐且走偏，存在安全風險，無法繼續耐久。如圖2所示，車架橫梁在扭桿固定齒套安裝處，前端磨損且開裂，表面光亮。后端鈑金裂損約20.0mm×20.0mm，扭桿上調整墊塊處橫梁開裂約15.0mm，扭桿橫梁中間開孔處貫穿開裂，車架橫梁鈑金開裂失效。

2問題調查和分析

2.1設計狀態調查

開裂問題發生后，對試驗車輛出廠記錄進行點檢。排查車架橫梁和扭桿各部件單品性能，包括車架橫梁材質力學性能分析、尺寸量測以及車身上相關安裝點三坐標檢測，結果均基本符合數據設計狀態。

通過CAE對扭桿梁進行分析，扭桿橫梁（材質B280VK，料厚1.5 mm）各工況所受最大應力450.6 MDa，大于材料屈服強度，最小安全系數為0.74，強度不足。

2.2試制樣車失效模式分析

由于該問題首次在電動車車型出現，傳統燃油車均未出現該問題。結合單品排查符合設計狀態的結論，初步判定該問題為車型拓展后，電動車整車空載質量（1870 kg）相對燃油車（1 599 kg）增加了271kg，車身載荷變大;同時扭桿縮短297.0 mm，扭桿力矩變大。這導致車身橫梁鈑金所受應力變大，超過燃油車，最終導致裂損失效口]。綜上，耐久失效模式判定如下。

（1）由于扭桿橫梁前移，扭桿軸線較傳統燃油車不變，扭桿固定齒套安裝處橫梁安裝點同扭桿固定齒套間隙變大。同時，后端由于布置三電元器件，載荷變大，導致扭桿固定齒套同橫梁搭接不均衡，前后輪弧同扭桿齒套間隙不一致，對扭桿安裝座限位不足。兩端受力不均，后輪弧較前輪弧所受應力大，橫梁鈑金（材質B280VK，料厚1.5 mm）整體剛強度不足，后輪弧開裂至裂損，前輪弧磨損嚴重。

（2）扭桿安裝臂受力大，使得扭桿調整螺栓對扭桿上安裝座拉力大，導致扭桿上調整墊塊配合輪弧處車身鈑金開裂。

（3）車輛運行中，左右兩側扭桿安裝點開裂，對橫梁實施向上的作用力，扭桿橫梁本身抗彎曲剛度不足，導致兩側向上受力，中間向下彎曲。彎曲過程中，由于橫梁上高壓線支架固定孔間距小，且呈直線排布，導致應力集中開裂貫穿。

3優化改善

針對上述調查結論，對車身扭桿橫梁處結構進行重新設計和優化。初步優化方案如下。

（1）提升扭桿橫梁材質等級和料厚，調整高壓線固定位置，取消橫梁中間直線排布孔位，減小應力集中，增加扭桿橫梁剛性和強度。

（2）新增加扭桿固定臂固定支架增大齒套安裝配合輪弧進行配合，取消原扭桿橫梁整體配合結構，改善約束不足問題，增大圓弧配接長度，增加受力面積，減小應力。扭桿固定臂固定支架按整體式和分體式進行設計和優化（圖3）。整體式剛性較分體式好，因此料厚按較分體式小的數值進行設定。由于舊扭桿橫梁配接處強度不足，因此材質等級提升，分體式按SAPH440，整體式按B340/590DP進行設定（表1）。

（3）橫梁上的扭桿上調整墊塊配合孔大小由R18 mm調整為R17 mm，減小配合間隙。

（4）優化扭桿橫梁兩側連接工藝，增加扭桿橫梁同縱梁側面焊點數量，兩側二保焊含點優化為點焊。

（5）扭桿橫梁同地板搭接處涂結構膠，增大受力面積，形成封閉管梁結構，使所受應力可以通過整根橫梁進行釋放。

4相關驗證

對車身加強方案優化后，進一步進行CAE校核、方案選定和重新耐久驗證。

4.1CAE校核確認

輸入材料參數后，對扭桿梁連接車身的一端全約束，扭桿放開軸向旋轉，其余自由度全約束。按照企業前懸架靜強度試驗標準，車輪向上負荷4G，扭桿彈簧、下擺臂緩沖塊同時受力，輸入該客車的扭桿力矩，此工況下零件不允許產生永久變形。分析結果如表2所示。

經過CAE校核結果分析可知：分體式和整體式扭桿橫梁（取兩個方案最大應力）和扭桿固定臂支架所受應力均小于材質屈服強度，無塑性變形，滿足靜強度要求;經過優化后的車身強度有較大改善，車身應力最小安全系數由BASE版的0.74提高到CASE版的1.06（分體式）和1.22（整體式）。

4.2方案選定

兩個方案均符合強度要求，從工藝和成本角度選擇最優方案，確認如下。

4.2.1工藝

（1）沖壓工藝：分體式與整體式鈑金方案沖壓均可成型，但由于整體式（B340/590DP）鈑金材質強度高于分體式（SAPH440），且鈑金結構導致工序涉及側沖孔和側整形工序較為復雜，成型后存在應力集中，反彈難控制，精度差，產品不良率較分體式高問題。因此，分體式鈑金沖壓性能和產品精度優于整體式方案。

（2）焊接工藝：整體式和分體式均可通過夾具設變與扭桿橫梁實現焊接，整體式由于增加和縱梁搭接焊點，相對分體式需要新增車架夾具設變，費用較分體式略高。

（3）涂裝和總裝工藝及維修性：兩個方案涂裝與總裝工藝均可施行，裝配性和維修性同原方案。

4.2.2成本

兩者零件質量相當，分體式鈑金模具為鋼板模，共拉延、修邊;中孔和翻邊整形三序;而整體式鈑金模具為鑄造模，共落料;中孔、翻邊成型、折彎、側整形和側沖孔側切五序。整體式模具較分體式模具材質費用高，工序多，因此，整體式鈑金模具費用較高。同時整體式鈑金材料利用率為47.53%，較分體式材料利用率54.16%低，整體式鈑金材料較為浪費。

綜上，在滿足強度的前提下，分體式結構方案從各工藝環節和成本進行評估，整體方案優于整體式。因此，采用分體式方案進行問題點對應。

4.3車輛耐久驗證

按照分體式方案進行支架開發后，進行耐久驗證，耐久8037km后，局部有壓痕，未開裂，優化后方案滿足設計及試驗強度要求。

5結束語

在以傳統燃油車為平臺對車型進行電動車拓展的過程中，需要對整車和各系統進行校核確認，對系統變更引起的問題進行優化改善。同時，通過模擬分析和試驗進行驗證，結合工藝和成本考量，尋求最優方案，以確保拓展后車型滿足國家各項新法規要求。

作者簡介：

林佳峰，本科，工程師，研究方向為輕型客車車身結構設計和開發。