車架局部斷裂問題原因分析及改進

張康, 王瑞重, 范秋珍

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

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車架局部斷裂問題原因分析及改進

張康1,2, 王瑞重1,2, 范秋珍1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

對汽車車架的強度分析及性能改進進行了綜述，重點分析了擺臂安裝支架及加強板開裂問題的原因調查及整改優化，并且初步探討了車架的發展趨勢以及研究方向。

車架；斷裂；有限元分析

0 引言

車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支撐發動機、離合器、變速器、轉向器、非承載式車身和貨箱等所有簧上質量的有關機件，承受著傳給它的各種力和力矩。

車架應有足夠的強度，以保證它有足夠的可靠性與壽命、縱梁等主要零件在使用期內不應有嚴重變形和開裂。

車架的性能將直接影響到行車安全性、可靠性、經濟性和舒適型，是車輛極其重要的安全件，而開裂也是車架常見的問題之一。有效分析并找到問題發生的原因，對于提高車架性能有重要意義。文中通過有限元分析和整車道路試驗，對擺臂安裝支架及開裂問題進行調查分析，并提出改進措施。

1 有限元分析

1.1 模型建立

車輛行駛的過程中經歷的工況復雜多樣，車架承受行駛時所受的沖擊、扭曲、慣性載荷等，其主要的變形方式為扭轉和彎曲。故根據其特點，采取下述5種經典工況進行車架強度分析：

工況一：車架在汽車前輪撞擊路肩時引起車架整體扭轉時的強度；

工況二：車架在汽車后輪撞擊路肩時引起車架整體扭轉時的強度；

工況三：車架在汽車前輪輪跳引起車架彎曲時的強度；

工況四：車架在汽車后輪輪跳引起車架彎曲時的強度；

工況五：車架在扭轉工況時的強度。

根據車型數據，利用HyperMesh軟件建立車架及其周邊件的強度分析模型。如圖1所示，采用慣性釋放方式，考慮材料非線性，利用Abaqus求解器求解，車架各零件所受最大應力應小于材料屈服強度。

圖1 車架強度分析模型

1.2 分析及結果統計

將車架各零部件所受應力情況進行統計，結果見表1。

表1 仿真數據統計表

1.3 分析結論

從表1可以看出：左側加強板最大應力為432.3 MPa，右側加強板最大應力為438.3 MPa，超過材料屈服強度極限，存在開裂的風險。左側加強板和右側加強板應力分布示意圖如圖2所示。

圖2 應力分布示意圖

上擺臂支架加強板主要支撐懸架系統運動，在行駛過程中承受大且頻繁的沖擊。

有限元分析完成后，進行整車可靠性試驗，對分析結果進行驗證。

2 整車可靠性試驗

2.1 試驗條件

(1)為了保證車架結構受到與有限元分析等效的試驗項目，應進行緊急轉向、向后制動、搓板路制動以及其他不平整路面制動試驗；

(2)道路類型包括扭曲路、塊石路、坑洼路等；

(3)在車輛滿載情況下進行試驗；

(4)試驗里程數根據車型以及熱銷產地的路況制定，文中采用的里程數為15 000 km；

(5)在條件允許的情況下，在關鍵結構件上，在有限元分析確定的應力集中點位置貼上應變片以測試實際工況時的應力數據。

2.2 試驗結果

試驗過程中，車輛每行駛500 km，對車輛狀態進行確認，保證及時發現問題，并在試驗記錄單上進行登記。

車輛進行到10 000 km時，發現擺臂安裝支架及加強板開裂，由于無法修復，試驗停止。具體部位見表2。

表2 故障點統計

由于根據有限元分析結果，擺臂安裝支架在各個工況所受應力均遠小于屈服強度極限，故初步確認：(1)加強板在車輛行駛過程中，首先在倒角位置發生開裂；(2)加強板本身性能減弱后，焊道強度降低發生斷裂；(3)擺臂安裝支架失去加強板的支撐作用后，發生斷裂。

2.3 問題發生部位結構

在對問題進行分析之前，先對故障件的特性、布置以及與周邊件的連接形式進行分析，確認在車輛行駛過程中故障件受力情況。

加強板周邊件布置形式，如圖3所示；連接形式描述，如圖4所示；故障區域定位示意圖，如圖5所示。

圖3 周邊布置示意圖

圖4 連接形式

圖5 故障區域示意圖

加強板及周邊件特性，如表3所示。

表3 故障件及其周邊布置信息統計

2.4 原因分析

根據布置形式進行分析，確認移動對應的載荷方向，在中間剖開進行簡單示意，如圖6所示。

圖6 載荷運動示意圖

通過理論分析及整車道路試驗對比驗證，得出結論：

(1)根據布置形式發現，擺臂安裝支架位置僅有加強板進行支撐，無法有效承受來自懸架載荷分解的應力；

(2)加強板應力集中，且接近屈服強度極限值，在反復載荷以及沖擊載荷的共同作用下，結構容易變形，性能降低，發生開裂；

(3)反復載荷會使焊接部位變得脆弱，從而發生開裂；

(4)擺臂安裝支架是由于加強板及連接焊道開裂進而引發問題的，故可認為提高加強板性能即可解決擺臂安裝支架開裂的問題。

3 結構優化

3.1 加強板優化方案

由于整車布置形式已經固化，懸架載荷承受方式相同，故針對此問題優化加強板本身結構來分解懸架系統載荷。

優化方向：

(1)將加強板形狀延長至側面，從而提升對載荷的抗性；

(2)增加焊接部位的截面積；

(3)提高擺臂安裝支架本身的剛度，提高安全系數。

結構優化方式如圖7所示。裝配效果展示，如圖8所示。

圖7 結構優化描述

圖8 改善前后對比示意圖

3.2 工藝設計優化

制件結構完成優化后，應進行工藝分析，確?？蛇M行批產，否則的話需對結構進行工藝優化。此制件在拐彎處(如圖9所示)成型困難，需進行處理保證后期量產。

圖9 改善前后對比示意圖

3.3 擺臂安裝支架優化方案

在加強板結構優化的基礎上，對擺臂安裝支架的薄弱位置進行強化，以提高整車安全系數，如圖10所示。

圖10 塞焊點位置

3.4 分析驗證

針對優化后的加強板進行有限元分析，驗證性能改進的效果，如圖11所示。

圖11 優化后加強板應力有限元分析結果

產品結構優化后，極限應力值降低107 MPa至308 MPa，遠低于材料屈服強度極限400 MPa，通過理論確認加強板開裂問題消除。

為了保證產品優化方案的有效性，理論分析完成后，重新安排整車可靠性試驗進行結果論證，10 000 km可靠性試驗完成后，加強板及擺臂安裝支架未發生開裂，此問題圓滿解決。

4 總結

在汽車車架開發過程中，有限元分析已經是不可或缺的一項技術手段，不但能在設計初期及時發現問題點加以預防，同時在問題發生后，能迅速根據模型推斷出問題發生的根本原因，供設計工程師參考。如文中仿真模擬時已分析出加強板應力集中，并根據它所承受的系統載荷即可確定此零件在車輛行駛過程中有發生問題的風險，故在設計初期，對此結構進行優化，以減少后期車型試驗時發生問題而產生的設計變更費用。

利用結構優化能夠有效保證支撐懸架系統載荷且不大幅度增加車質量，符合車架發展趨勢，且在車架未來發展過程中，輕量化設計更是車架開發的一個重要指標。

作者僅對車架局部開裂一個典型問題的解決進行了闡述，針對車架強度以及其他性能的開發，還有很多研究工作要做：

(1)文中在對車架進行有限元強度分析時，工況是根據經驗或者借鑒其他公司的，而為了獲得更加真實的分析結果，應當結合車型所在銷售地區的路況采集功率譜文件，并使用動力學軟件比如ADAMS等建立整車的多體動力學模型，將整車多體動力學的分析結果作為車架有限元強度分析所需要的載荷譜，對車架進行有限元分析，路況不是單一存在的，應建成數據庫形式；

(2)疲勞斷裂是車架經常出現的問題，文中針對車架進行了靜態強度分析，而沒有對其進行疲勞分析，因此今后可以在文中所建立的車架有限元分析模型的基礎上對該車架進行疲勞分析。

(3)文中所述結構對車架剛度以及模態影響較小，但是剛度及模態也是衡量車架好壞非常重要的性能指標，因此后續應對車架的剛度及模態進行研究。

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Investigation and Improvement of Local Fracture of Frame

ZHANG Kang1,2，WANG Ruizhong1,2，FAN Qiuzhen1,2

(1.Technical Center,Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China;2.Hebei Automotive Engineering Technology Research Center, Baoding Hebei 071000, China)

The strength analysis and performance improvement for the chassis frame were summarized. The cause investigation and optimization for swing arm mounting bracket cracking and the reinforcing plate cracking were made. The future development trend and research direction of the frame were analyzed.

Frame; Fracture; Finite element analysis

2015-11-21

張康(1987—)，男，本科,助理工程師，研究方向為汽車底盤結構設計優化。E-mail：18233319750@163.com。

U463.83+1

B

1674-1986(2016)02-042-06