快充線束支架疲勞失效分析及對策研究

摘要：某車型開發中，快充線束固定支架在臺架搖動耐久試驗中出現支架斷裂問題。為探尋支架開裂原因，對失效件進行材質分析、斷口分析、結構分析、有限元CAE應力分析，并結合臺架和實車應力的測試情況，利用疲勞限圖進行耐久驗證。從材料和設計角度進行優化檢討對策方案，再利用疲勞限圖對對策品進行實車耐久模式下疲勞可靠性的預測。最后，通過結構優化消除支架在臺架以及實車工作狀態下的失效風險。

關鍵詞：線束支架；失效分析；臺架和實車應力測試；疲勞限圖；疲勞可靠性

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-06-30

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408017

1 前言

近年來新能源汽車突飛猛進，電器系統向著集成化、智能化、網聯化的趨勢發展，整車線束越來越復雜，且物理布置空間有限，作為電動汽車動力輸出的主要載體，新能源線束成為影響整車性能和安全的關鍵部件之一［1］。與傳統的汽車相比，新能源車對線束的電氣性能、屏蔽性能、機械性能和耐久性要求更高［2］。如何將線束合理地布置在有限的空間中，并且確保實車在行駛過程中的耐久性能，就需要配套的線束固定支架。汽車在行駛過程中，若固定支架因實車顛簸引起開裂，嚴重會導致線束與支架摩擦，進而導致線束開裂引發起火的風險［3］。

本課題的研究背景是某新車在開發過程中，出現充電線束支架臺架測試斷裂失效的問題。針對此失效問題，本文從材料、零件結構、有限元應力，以及臺架和實車應力等方面明確不良產生的原因，制定對策方案，并利用疲勞限圖預測對策品的耐久可靠性，縮短開發驗證時間，為汽車開發過程中支架開裂分析及對策提供技術參考。

2 快充線束支架斷裂分析

21 快充線束支架斷裂背景

某汽車開發過程中，對快充線開展搖動耐久試驗驗證，臺架L/O布置參考實車L/O，如圖1和圖2所示。先開始X向搖動耐久測試，依次24 h/4 h/5 min，完成X軸向搖動耐久測試；之后開始Z向搖動耐久測試，搖動至Z向34 033次（約2 h）時，1個支架線束正極固定處斷裂。

支架斷裂問題需要從多方面進行分析，如材料強度、斷口失效、零件結構加工、加載的應力分布等。

22 材料強度分析

對失效零件進行維氏硬度測量，通過維氏硬度與強度換算表推測材質抗拉強度，確認零件原材料加工是否按照圖紙要求。

測量結果表明，零件強度在545 MPa左右，滿足圖紙要求。

23 斷口失效分析

231 斷口宏觀分析

支架斷裂部位如圖3所示，斷裂發生在零件折彎部位，加強筋的末端。斷口中間已氧化發黑，兩邊發亮。初步判斷，中間部位的裂紋出現時間久，兩端的裂紋新鮮。初步推測中間先裂開后慢慢向兩端擴展。

232 斷口微觀分析

斷裂微觀如圖4所示，斷裂位置距折彎線08 mm左右，斷裂截面加強筋部位出現明顯凹坑缺陷。

通過SEM掃描電鏡觀察，裂紋擴展路徑如圖5所示。斷面有裂紋源、擴展區、瞬斷區三個明顯的區域特征，確認斷裂為疲勞斷裂。裂紋源至少兩處，均在斷面的上表面。兩條主裂紋最終在左側處交匯斷裂。

24 實物零件加工對比分析

抽取斷裂品同批次的零件、先行試作階段的零件和BASE規格三種實物樣品，對它們折彎處的表面加工狀態和倒角進行測量對比分析，結果如圖6所示。

經數碼顯微鏡放大觀察測量，斷裂品同批次的折彎倒角處有明顯折彎痕，距折彎痕08 mm處有損傷缺陷a和b，與圖4斷裂走向一致。折彎處的加工倒角測量結果如圖6所示：斷裂品批次的倒角為15 mm，不滿足3D數據2 mm要求，并且小于對比的試作品樣件和BASE品樣件。后續經確認，廠家模具加工精度不足，導致零件出現不滿足圖紙要求，并出現損傷痕。

25 支架斷裂處CAE受力分析

對支架進行CAE受力分析，確認支架的受力情況，結果如圖7所示。參數條件：搖動段線束重量039 kg，線束重量1/2作用于支架Z向，經CAE分析，支架受力情況如圖7c所示。支架斷裂處最大應力的位置與斷口分析的裂紋源一致，應力達到339 MPa＞材料屈服強度265 MPa。零件在臺架測試中，受力過大，發生屈服變形，經過不停耐久測試最終發生斷裂。

26 臺架耐久與實車耐久應力測試對比分析

用3枚應變片分別貼于斷裂品同批次的支架折彎處，如圖8所示，分別是CH1、GH2、GH3。再將零件與對手件組合分別安裝于臺架和實車上，分別開展臺架和實車惡路測試（3個循環），采集應力數據，得出該部位的實際受力情況，得到最大應力和最小應力，從而計算出應力幅值。再根據材料機械性能和耐久特性制作零件疲勞限度圖，預估該零件的耐久風險。

實車試驗模式如表2所示，臺架試驗模式如表3所示。

經臺架和實車應力測量，結果顯示（圖9）：臺架試驗模式支架加強筋處應力值在模式X1、X2時超過支架限值，因此會發生支架斷裂的風險，與現狀出現的斷裂課題吻合。實車耐久各工況的應力值均在材料實力值范圍內，判斷實車耐久支架不會發生斷裂。由此可以得出，臺架耐久模式下的受力狀態大于實車模式。

27 斷裂分析匯總

從上面的分析結果得出，導致支架失效分原因有三種：

a.零件結構設計方面，支架斷裂位置出現較大應力集中。

b.最大應力超過材料本身的屈服強度。

c.零件模具加工精度不足，倒角不滿足圖紙，并且模具加工不良導致生產出來的零件有表面損傷。

3 對策及驗證

31對策

針對以上結論，制定以下對策方案，并進行分析驗證。

方案一：材質不變，支架斷裂部位的折彎倒角加大，由R2→R3。

方案二：材質不變，結構優化，增加翻邊處的材料，R角加大，由R2→R3。

方案三：材質強度提高，由JSC440W變更為JSC590R。

32 驗證

對以上三種對策方案進行臺架、實車應力檢證，并結合零件成型性方面的檢討，選出最優方案，如表4所示。

對以上對策進行分析，方案二優化效果最優，并且供應商反饋零件成型有預見性，因此選擇方案二作為改善對策［4］。

目前該零件已量產，并且通過臺架耐久和實車耐久檢證，市場無不良投訴。

4 結語

目前，在結構設計中，重點關注的是靜態工況下的受力載荷，往往忽略了實車在各種不同的路面工況行駛，會有交變應力的存在，導致發生疲勞失效，疲勞失效是結構件最為常見的失效方式。靜態失效和動態疲勞失效存在一定的差異。一般靜態的應力分析無法準確預測結構件的失效。

本文以快充線束支架耐久斷裂為例，對斷口進行失效分析，判斷支架為疲勞斷裂，并找到裂紋源。結合實物零件的檢測和零件載荷CAE受力分析結果得到，支架斷裂位置出現較大應力集中，雖然材質強度滿足需求，但此處應力超過設定材料的屈服強度，再加上零件實際制作過程中存在加工缺陷（模具損傷，倒角偏小），最終造成該部位出現疲勞斷裂。然后，追加臺架和實車的應力測量，根據材質特性曲線繪制零件的疲勞限度圖，再次驗證零件的設計規格不滿足臺架的疲勞測試要求，有風險。根據找到的斷裂原因，進行設計變更，并再次通過CAE應力分析，以及實物應力測試，進行疲勞性能的預估，找到最優改善對策。

參考文獻：

[1]陶定玲汽車線束固定支架的結構設計及材料選擇[J]蕪湖職業技術學院學報，2023，15（1）：36-38

[2]張亮汽車發電機上支架疲勞斷裂行為研究[D] 北京：北京交通大學，2019

[3]吳云飛某副車架懸置支架臺架失效分析及優化[J]汽車工業研究，2022（3）：58-61

[4]吳相憲靜力_疲勞二準則法計算零件的極限應力及安全系數[J]煤礦機械，1986（2）：56-59.

作者簡介：

田莎，女，1987年生，工程師，研究方向為材料科學與工程。