純電動汽車前副車架開裂失效分析

詹士成 周釗 袁寶文 彭文歡

摘 ?要：針對某純電動汽車前副車架在整車惡路耐久和臺架疲勞耐久試驗中擺臂安裝區域出現兩處鈑金開裂問題，基于對斷口材料的化學成分、力學性能、宏觀形貌、微觀形貌等分析，最終確定了副車架開裂的失效模式，其中一處開裂為疲勞斷裂，另一處為延性斷裂，并且推斷出兩處開裂的形成存在一定邏輯關系。通過對疲勞斷裂處的結構優化和CAE分析，最終改進樣件順利通過臺架試驗和整車試驗，證明了斷口分析在解決副車架失效問題中的重要性。

關鍵詞：斷口分析；副車架；臺架試驗；耐久開裂；純電動

中圖分類號：U463.8 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2023）04-0064-04

Failure Analysis of Cracking in Front Sub-frame of Pure Electric Vehicle

ZHAN Shi-cheng， ZHOU Zhao， YUAN Bao-wen， PENG Wen-huan

（ Dongfeng Honda Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： To solve sheet metal cracks of front sub-frame at swing arm installation section for a pure electric vehicle during the durability of vehicle harsh-road test and part bench test， the failure mode is finally determined based on the material analysis of chemical composition， mechanical properties， macroscopic morphology and microscopic morphology. One crack is fatigue cracking， and the other is plastic cracking. It is inferred that there is a certain logical relationship between the formation of the two cracks. Through structural optimization and CAE analysis of the fatigue cracking section， the improved sample successfully passed the sub-frame durability test and vehicle harsh-road endurance， and the importance of fracture analysis in solving sub-frame failure problem was also demonstrated.

Key Words： Fracture Analysis; Sub-Frame; Bench Test; Durable Cracking; Electric Vehicle

汽車副車架不僅能夠衰減動力總成、路面傳遞到車身的振動，而且對于車身、懸架具有支撐作用，因此它的可靠性也直接關系著整車耐久、安全和舒適等性能[1-3]。與傳統的燃油車相比，純電動汽車副車架具有以下特點：（1）由于電動車車重更大，副車架需要承受更大載荷；（2）電機總成通過懸置直接安裝在副車架上，副車架需要承受電機的高扭矩輸出。因此，純電動汽車副車架的耐久性能要求更高。

圖1 前副車架開裂的位置

某款純電動車型在整車惡路耐久試驗行駛至4300km發現前副車架擺臂安裝區域的鈑金開裂，此外在實驗室進行單品疲勞耐久的副車架在完成一倍壽命循環后，擺臂安裝區域的鈑金也發現開裂，并且開裂位置與整車惡路耐久的位置一致，如圖1所示。由于黑色漆面影響視覺，在實驗過程中如果萌生微小裂紋非常難以發現，因此通常在完成耐久試驗后通過著色滲透探傷法觀察表面開裂情況[4-6]。由圖可知，副車架鈑金開裂位置總共有兩處：位置1位于副車架上板的翻邊處，裂紋長度為12.4mm；位置2位于副車架下板翻邊處，裂紋長度為9.57mm。

1 ? ?失效分析

斷口是零件在試驗或使用過程中斷裂后所形成的相互匹配的表面。斷口分析是通過對零件斷口的材質、形貌、性質等分析，進而實現對斷裂類型、斷裂方式的判斷和推論的技術。斷口分析由于具有實用性強、經濟性好、快捷度高等特點而廣泛應用于汽車、航空、航天、機械等相關行業[7-8]。

1.1 ? 化學成分

前副車架的材料采用高強度鋼，材料牌號為JSH590R（日本標準JFS A1001），板材厚度為1.8mm。表2為副車架斷口處材料樣品的化學成分分析，經過實驗檢測分析，樣品材料中的P、S、C、Si、Mn、Al等化學元素的成分含量均滿足JSH590R材料的標準要求，結果合格。

1.2 ? 力學性能

為了進一步了解本次耐久失效副車架上材料的力學性能，采集斷口附近的材料制作成標準式樣進行拉伸試驗，實驗結果如表3所示。經過實驗檢測分析，三件材料樣品的抗拉強度、屈服強度和延伸率均滿足JSH590R材料的標準要求，結果合格。

1.3 ? 宏觀形貌分析

1）位置1斷口

圖2為位置1斷口經過清洗后的宏觀形貌，由圖可知，斷口的材料紋理具有一定的方向性，其中放射狀條紋的匯聚處即為裂紋源，裂紋源是最初發生開裂的區域，裂紋由裂紋源向兩側逐漸擴展形成。根據斷口的形貌特點，可以基本將斷口分成三個區域，即裂紋源、裂紋擴展區和快速斷裂區，該斷面特征非常符合疲勞斷裂的特征[7]，因此位置1斷口屬于疲勞斷裂。

2）位置2斷口

圖3為位置2斷口經過清洗后的宏觀形貌，由圖可知，經過清洗后的斷口呈棕黑色，表面材料大部分被氧化，材料紋理在一定程度上呈現受擠壓而塑性變形的抹平狀態。此外，材料紋理比較粗糙、部分呈現雜亂纖維狀，整體形貌沒有明顯的區域區分，該斷面特征非常符合延性斷裂的特征[8]，因此位置2斷口屬于延性斷裂。

1.4 ? 微觀形貌分析

1）位置1斷口

圖4為通過掃描電子顯微鏡對位置1斷口的裂紋源在不同放大倍數下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在200X的電鏡下觀察疲勞源區，斷面上有一處明顯因斷裂而形成的臺階，該臺階即為裂紋最早萌生的位置；在500X的電鏡下觀察疲勞源區，斷面上的材料組織細小而粗糙；在1000X的電鏡下觀察疲勞源區，斷面上的材料組織存在較多的二次裂紋和少量的摩擦痕跡。

圖5為通過掃描電子顯微鏡對位置1斷口的疲勞擴展區在不同放大倍數下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在500X的電鏡下觀察疲勞擴展區，斷面形貌整體比較平坦；在1000X的電鏡下觀察疲勞擴展區，斷面上存在明顯的疲勞輝紋（或疲勞條帶），呈海灘花樣；在10000X的電鏡下觀察疲勞擴展區，斷面上的材料組織存在非常多的二次裂紋。

圖6為通過掃描電子顯微鏡對位置1斷口的快速斷裂區在不同放大倍數下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在500X的電鏡下觀察快速斷裂區，該區域應該存在較多的韌窩，然而在SEM圖片上并沒有發現。這是因為快速斷裂區在形成后，兩側的材料并沒有完全斷開、不接觸，繼續進行臺架試驗時此區域兩邊材料會相互擠壓發生塑性變形，最終導致此處的韌窩特征被抹平。在10000X的電鏡下觀察快速斷裂區，斷面上的材料組織粗糙且塑性變形明顯，這也是因為斷口兩邊材料相互擠壓而塑性變形導致的。

2）位置2斷口

圖7為通過掃描電子顯微鏡對位置2斷口多處區域在不同放大倍數下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在100X的電鏡下，斷面形貌整體比較平坦，材料紋理比較粗糙，部分呈現纖維狀和因塑性變形的滑移痕跡；在500X的電鏡下，斷面形貌整體比較平滑，沒有明顯的韌窩特征。這是因為該斷口為延性斷裂，在裂紋形成以后，兩側的材料并沒有完全斷開、不接觸，繼續進行臺架試驗時此區域兩邊材料會相互擠壓發生塑性變形，最終導致此處的韌窩特征被抹平。

2 ? ?分析與討論

通過對副車架斷口的成分分析、力學性能分析可知，副車架材料的化學成分和力學性能均滿足JSH590R的材料標準要求，因此可以排除材質因素對副車架耐久開裂的影響。

通過對副車架斷口的宏觀形貌分析、微觀形貌分析可知，位置1的失效模式為疲勞斷裂，斷口位置2的失效模式為延性斷裂。

前副車架的上下板是副車架的主體，兩者之間扣合后焊接為一體，擺臂安裝點是副車架主要的受力點，上下鈑金共同承受并分擔擺臂處的載荷，當某一側鈑金發生失效，必然導致另一側板的受力增大。根據斷口失效模式可以推測，位置2斷口是在位置1斷口形成一段時間以后的產生的，并且位置2的開裂發生是由位置1開裂引起的。這是因為位置1發生開裂后導致下板的變形增大而承受的分力減小，當位置1裂紋擴展到一定程度后引起上板承受的分力顯著增大，最終促使上板發生延性斷裂，形成位置2斷口。

因此，該副車架的整體失效模式為疲勞斷裂，并且引起失效的主要原因是擺臂安裝區域位置1的疲勞強度設計不足，需要對其進行結構優化和加強。

3 ? ?優化與驗證

該副車架下板擺臂處的結構如圖8中的（a）所示，整車惡路耐久和臺架耐久試驗中副車架均是此狀態。由圖可知，位置1的翻邊結構在過渡時存在由外翻逐漸轉變為內翻的情況，這種型面結構比較復雜且容易存在應力集中。經過多種方案的結構優化和CAE驗證，最終決定將位置1處的外翻邊改為內翻邊，如圖8中（b）所示，通過簡化型面過渡實現降低應力值、改善應力分布的目的，從而提高疲勞性能。

據結構優化方案對副車架模具進行修模，優化后樣件在實驗室臺架上按照表3中的耐久條件重新進行疲勞試驗。試驗12.1萬次時，副車架上位置1、2處的鈑金未發生開裂，其余部分的鈑金和焊縫也均未發生開裂，滿足設計要求；繼續進行試驗至24.2萬次，副車架上位置1、2處的鈑金仍未發生開裂，其余部分的鈑金和焊縫同樣也均未發生開裂。此外，整車惡路耐久重新試驗后，副車架亦無開裂問題。

3 ? ?結論與建議

1）針對金屬件的開裂問題，可以利用斷口分析技術確定斷裂的斷裂類型、斷裂方式，從而為結構優化提供指導。本文中副車架斷口位置1的失效模式為疲勞斷裂，斷口位置2的失效模式為延性斷裂。

2）在金屬件的開裂問題中，如果存在多個開裂區域，應當充分根據斷口分析技術推測各處斷口開裂的先后順序和關系，從而為結構優化提供更為精準的方向。本文中副車架擺臂安裝區域存在兩處開裂，通過斷口分析推斷位置2的開裂發生是由位置1開裂引起的，因此結構優化的重點是位置1。

3）疲勞斷口的快速斷裂區或延性斷口的斷面區域，通常會存在大量的韌窩特征。本文中兩處區域均未發現明顯的韌窩特征，因為副車架鈑金尺寸較大，在裂紋形成以后，兩側的材料沒有完全斷開，繼續試驗時斷口兩邊材料會相互擠壓而發生二次塑性變形，最終導致此處的韌窩特征被抹平。

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