重型汽車管狀橫梁、盆梁失效分析與改進

袁鵬濤，邢繼瓊，鮑文芳，袁麗，梁永，陸昱州

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

1 前言

眾所周知，管梁主要作用為緩解車輛重載狀態(tài)下在惡劣路面運行時車架扭轉(zhuǎn)變形[2]，消除應(yīng)力，防止車架開裂造成重大安全事故，盆梁與管梁的作用為相輔相成關(guān)系，盆梁的存在更進一步改善車架的扭轉(zhuǎn)變形。某重型卡車，售后市場反饋管梁大批量開裂問題，同時盆梁售后故障率較高。引起市場極大抱怨，并且造成高額經(jīng)濟損失，對品牌形象造成嚴重負面影響，此問題亟待解決。

2 問題概述

2018 年市場反饋某公司某型號管梁批量開裂，2019 年此型號管梁售后故障率較高，全年失效1704 件，主要失效模式均為開裂、斷裂，售后失效金額高達356.19 萬元；2019年與此配合使用的盆梁總成售后故障率也較高，全年失效1409 件，主要失效模式均為開裂、斷裂，售后失效金額高達123.94 萬元。客戶抱怨強烈，給這款車型的推廣造成了極大阻力及不良影響。

圖1 管狀橫梁開裂

圖2 盆梁開裂

3 重型汽車管狀橫梁、盆梁失效分析及改進措施

3.1 管狀橫梁

3.1.1 失效件理化分析

經(jīng)過對售后失效件理化分析發(fā)現(xiàn)，斷裂零件金相組織、化學(xué)成分、材質(zhì)均符合要求；斷裂零部件在管梁支座加強筋根部處形成應(yīng)力集中點，在工作應(yīng)力下萌生疲勞裂紋，導(dǎo)致零部件在服役過程中發(fā)生疲勞斷裂。

圖4 清洗后斷口宏觀形貌

圖5 基本微觀形貌 100X

3.1.2 CAE 分析[3]

結(jié)合開裂點及此前類似車型經(jīng)驗，在原結(jié)構(gòu)（方案1）的基礎(chǔ)上優(yōu)化2 種方案，對垂向沖擊和扭轉(zhuǎn)工況進行CAE分析，根據(jù)最小靜態(tài)安全因子的具體數(shù)值確定最優(yōu)方案。具體如下：

（1）方案2 在方案1 的基礎(chǔ)之上改變了管梁支座加強筋的高度。

（2）方案3 在方案2 的基礎(chǔ)上將管梁支座的內(nèi)部加厚2mm。

圖6 管橫梁三種對比方案

（3）材料和模型：

圖7 管橫梁模型參數(shù)

（4）分析工況：

圖8 垂向、扭轉(zhuǎn)工況模型

（5）計算結(jié)果——垂向工況靜態(tài)安全因子：

圖9 垂向工況靜態(tài)安全因子

（6）計算結(jié)果——對角扭300mm 靜態(tài)安全因子：

圖10 扭轉(zhuǎn)工況靜態(tài)安全因子

從分析結(jié)果可以看出，扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力點與實際損壞位置較為符合，經(jīng)過優(yōu)化后各方案的最小因子（詳見表1）明顯提高，因此新結(jié)構(gòu)在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上有了很大的改善。

表1 管橫梁材料模型

表2 最小靜態(tài)安全因子結(jié)果

3.2 盆梁

3.2.1 差異性對比

通過售后故障率數(shù)據(jù)分析，各供應(yīng)商售后故障率差異性較大，最高為3.51%，最低為0.42%，相差8 倍之多。同樣的結(jié)構(gòu)，同樣的車型，各供應(yīng)商故障率差異如此之大，充分說明供應(yīng)商零部件實物存在較大差異，故對各供應(yīng)商實物從尺寸、理化檢測等方面進行差異性對比，發(fā)現(xiàn)故障率最低供應(yīng)商實物寬度尺寸偏大，且R 圓角尺寸均比其他供應(yīng)商偏大，這有力的增強了零部件的整體強度，使零部件能更好地滿足實際使用需求。

表3 尺寸測量結(jié)果

3.2.2 CAE 分析[3]

結(jié)合前期管狀橫梁CAE 分析，且盆梁在對角扭轉(zhuǎn)工況下受力最惡劣，其余工況盆梁受力很小，故對安裝管梁、取消管梁、取消管梁及盆梁圓角由R10 改為R7 三種方案（詳見表4）進行扭轉(zhuǎn)工況下的分析結(jié)果，根據(jù)最小靜態(tài)安全因子的具體數(shù)值確定最優(yōu)方案。具體如下：

表4 三種優(yōu)化方案

圖11 有限元模型

3.2.2.1 模型

圖12 管、盆梁模型參數(shù)

3.2.2.2 工況設(shè)定

圖13 工況模型

圖14 工況模型參數(shù)

3.2.2.3 車架強度分析

從分析結(jié)果可以看出：a、方案1 盆梁強度滿足要求；b、方案2 盆梁、橫梁材料為QSTE340 時強度不滿足要求，材料改為510L 后滿足要求；c、方案3 盆梁墊板強度滿足要求，盆梁、橫梁強度不滿足要求；d、通過三個方案對比可以知道，當(dāng)橫梁未發(fā)生斷裂時（方案1），盆梁達不到破壞要求，當(dāng)管梁發(fā)生斷裂后（方案2、3），盆梁發(fā)生破壞，且分析出來的危險位置與實際開裂位置基本一致；e、通過三個方案對比可以猜測，盆梁開裂可能是由于管梁先發(fā)生斷裂導(dǎo)致盆梁受力情況變差而產(chǎn)生。

圖15 方案1 分析結(jié)果

圖16 方案2 分析結(jié)果

圖17 方案3 分析結(jié)果

表5 三種方案靜態(tài)安全因子結(jié)果

3.3 盆梁改進方案

（1）將盆梁、盆梁加強板連接螺栓孔由φ16 改為φ15，避免車輛行駛過程中螺栓晃動，撕扯加強板，造成受力不均勻，導(dǎo)致開裂。

（2）將盆梁、盆梁加強板R10 圓角，公差明確為（0，+2），避免R 圓角過小，應(yīng)力集中，導(dǎo)致開裂。

（3）將盆梁、盆梁加強板材質(zhì)由QSTE340TM 改為510L-6.0，增強零部件的整體強度。

4 改進效果及驗證

所有改進措施體現(xiàn)后，對供應(yīng)商批量到貨零部件進行驗證，均符合圖紙技術(shù)要求，并跟蹤售后故障數(shù)量，售后市場表現(xiàn)良好，售后故障數(shù)量大幅度下降。

統(tǒng)計售后2020 年1 月份～2020 年10 月份故障數(shù)量，管梁故障數(shù)量為135 件，下降了92.08%，售后失效金額為27.82萬元，下降了92.19%，盆梁故障數(shù)量為211，下降了85.02%，售后失效金額為19.20 萬元，下降了84.51%，產(chǎn)品的故障數(shù)量及售后損失金額明顯下降，可靠性得到大幅度提升。

5 總結(jié)

本文通過各供應(yīng)商產(chǎn)品之間的對標、理化分析、CAE 分析等系統(tǒng)性對管梁、橫梁的開裂失效模式進行分析，精準對結(jié)構(gòu)缺陷進行改進優(yōu)化，從售后失效數(shù)量、失效金額等多維度進行改進驗證，確保改進效果的有效性。結(jié)構(gòu)性零部件售后失效模式大多數(shù)為開裂、斷裂，均可借鑒此文的分析模式進行系統(tǒng)性分析，進行相關(guān)改進工作。