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下在惡劣路面運行時車架扭轉變形[2]，消除應力，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系，盆梁的存在更進一步改善車架的扭轉變形。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

經過對售后失效件理化分析發現，斷裂零件金相組織、化學成分、材質均符合要求；斷裂零部件在管梁支座加強筋根部處形成應力集中點，在工作應力下萌生疲勞裂紋，導致零部件在服役過程中發生疲勞斷裂。

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]

結合開裂點及此前類似車型經驗，在原結構（方案1）的基礎上優化2 種方案，對垂向沖擊和扭轉工況進行CAE分析，根據最小靜態安全因子的具體數值確定最優方案。具體如下：

（1）方案2 在方案1 的基礎之上改變了管梁支座加強筋的高度。

（2）方案3 在方案2 的基礎上將管梁支座的內部加厚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

（4）分析工況：

圖8 垂向、扭轉工況模型

（5）計算結果——垂向工況靜態安全因子：

圖9 垂向工況靜態安全因子

（6）計算結果——對角扭300mm 靜態安全因子：

圖10 扭轉工況靜態安全因子

從分析結果可以看出，扭轉工況最大應力點與實際損壞位置較為符合，經過優化后各方案的最小因子（詳見表1）明顯提高，因此新結構在原結構的基礎之上有了很大的改善。

表1 管橫梁材料模型

表2 最小靜態安全因子結果

3.2 盆梁

3.2.1 差異性對比

通過售后故障率數據分析，各供應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。同樣的結構，同樣的車型，各供應商故障率差異如此之大，充分說明供應商零部件實物存在較大差異，故對各供應商實物從尺寸、理化檢測等方面進行差異性對比，發現故障率最低供應商實物寬度尺寸偏大，且R 圓角尺寸均比其他供應商偏大，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 尺寸測量結果

3.2.2 CAE 分析[3]

結合前期管狀橫梁CAE 分析，且盆梁在對角扭轉工況下受力最惡劣，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）進行扭轉工況下的分析結果，根據最小靜態安全因子的具體數值確定最優方案。具體如下：

表4 三種優化方案

圖11 有限元模型

3.2.2.1 模型

圖12 管、盆梁模型參數

3.2.2.2 工況設定

圖13 工況模型

圖14 工況模型參數

3.2.2.3 車架強度分析

從分析結果可以看出：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，當橫梁未發生斷裂時（方案1），盆梁達不到破壞要求，當管梁發生斷裂后（方案2、3），盆梁發生破壞，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生斷裂導致盆梁受力情況變差而產生。

圖15 方案1 分析結果

圖16 方案2 分析結果

圖17 方案3 分析結果

表5 三種方案靜態安全因子結果

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，應力集中，導致開裂。

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

4 改進效果及驗證

所有改進措施體現后，對供應商批量到貨零部件進行驗證，均符合圖紙技術要求，并跟蹤售后故障數量，售后市場表現良好，售后故障數量大幅度下降。

統計售后2020 年1 月份～2020 年10 月份故障數量，管梁故障數量為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%，產品的故障數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

本文通過各供應商產品之間的對標、理化分析、CAE 分析等系統性對管梁、橫梁的開裂失效模式進行分析，精準對結構缺陷進行改進優化，從售后失效數量、失效金額等多維度進行改進驗證，確保改進效果的有效性。結構性零部件售后失效模式大多數為開裂、斷裂，均可借鑒此文的分析模式進行系統性分析，進行相關改進工作。