李立波，白龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型發(fā)動機懸置支架開裂分析及優(yōu)化設計

李立波，白龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對某車型懸置支架在道路試驗中失效的現(xiàn)象，提出了有效的解決方案。應用有限元方法對發(fā)動機懸置支架進行分析；根據(jù)分析結(jié)果，對支架結(jié)構(gòu)、材料以及焊接工藝進行優(yōu)化設計；結(jié)合臺架試驗和道路可靠性試驗，滿足設計要求。

發(fā)動機懸置支架；強度分析；優(yōu)化設計

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-59-04

前言

動力總成是汽車的主要激振源之一，懸置系統(tǒng)零部件的性能和可靠性設計直接影響懸置系統(tǒng)的隔振率及系統(tǒng)可靠性；懸置支架是動力總成懸置系統(tǒng)中關鍵零部件之一，起到支撐動力總成、連接減震部件、傳遞震動載荷的功能。由于車輛運動工況及路況的復雜性，對于目前懸置系統(tǒng)支架的可靠性開發(fā)，主要通過臺架及強化道路的可靠性驗證進行設計確認。

針對某車型懸置支架在試驗過程中出現(xiàn)的開裂問題，經(jīng)過確認，支架材料為DC04，在道路試過程中出現(xiàn)開裂失效，為了確定懸置支架的開裂原因，對支架的工作工況進行數(shù)據(jù)采集、臺架拉壓試驗、CAE強度分析、焊點撕裂試驗；本文針對以上分析及試驗完成懸置支架失效的原因分析及優(yōu)化，解決懸置支架開裂問題，為懸置支架開發(fā)積累經(jīng)驗。

1、動力總成懸置支架開裂失效模式

根據(jù)道路可靠性驗證，在試驗過程中懸置支架在道路試驗15萬公里時連續(xù)出現(xiàn)開裂，具體如下：失效模式一出現(xiàn)在支架第一排螺栓孔，開裂失效從安裝孔開始，向支架邊緣開裂(孔邊緣距支架邊緣有6mm)；失效模式二出現(xiàn)在支架三面折彎處。

2、懸置支架應力數(shù)據(jù)采集

針對動力總成懸置支架產(chǎn)生開裂失效模式的工況，在左右懸置支架上分別布置傳感器，進行試驗數(shù)據(jù)采集，確認在道路試驗過程中懸置支架各個點所承受的應力應變。單側(cè)支架選取9個采集點，共選取18個數(shù)據(jù)采集點；完成5輪最大拉壓應變、應變幅數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)試驗結(jié)果，最大應力發(fā)生在8號數(shù)據(jù)采集點，最大應力1017μm/m，為壓應變。

從試驗數(shù)據(jù)中得出，最大應變發(fā)生在8號點，最大壓應變?yōu)?1047μm/m，按照鋼材的普遍彈性模量210GPa，應力數(shù)值為219MPa；懸置支架的材料為DC04，屈服極限165MPa，存在開裂風險。

3、懸置支架應力數(shù)據(jù)采集

為進一步分析懸置支架的受力情況，進行動力總成質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量測量、懸置坐標、非線性剛度曲線采集以及10工況的載荷提取。

根據(jù)以上總成質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量測量、懸置點坐標、非線性剛度曲線采集以及10工況載荷提取，完成左右懸置10工況載荷提取，提取數(shù)據(jù)如表4。

在提取左右懸置10工況載荷的基礎上，進行CAE分析，確認設計狀態(tài)懸置支架的強度是否滿足可靠性要求；模型建立及材料屬性如下；

根據(jù)CAE分析，在10工況下，左右懸置均存在應力過大的風險，左支架有6個工況的安全系數(shù)小于1，右支架有3個工況的安全系數(shù)小于1；其中在工況7狀態(tài)下，左支架應力最大508.3MPa，安全系數(shù)0.32，遠小于安全系數(shù)1.2的要求。

CAE分析結(jié)果顯示應力最大的風險點與試驗應力采集最大點一致，在8號采集點；工況7狀態(tài)下安全系數(shù)遠不能滿足可靠性要求。

4、懸置支架故障件焊接狀態(tài)分析

根據(jù)CAE分析及道路應力采集，失效模式二開裂故障點與分析結(jié)果相同；螺栓孔附近失效模式二不存在開裂風險，為進一步確認故障失效原因，對失效故障件進行撕裂試驗及焊點分析。

焊接設計要求為6個焊點，焊點直徑φ6mm，經(jīng)對故障件焊點分析：6個焊點有2個焊點為假焊（焊透性差）；產(chǎn)生的主要原因是焊接時間和焊接加壓時間短，使兩層板之間熔化溫度保持時間短，來不及完全熔接，從而降了低焊點連接強度。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，焊接設備采用DN2-100座式點焊機。

針對故障件，焊點分析如下：

為驗證焊接方式對焊點的影響，采用三組焊點撕裂試片（前懸置支架試片DC04三條：30X300X2)分別在DN2-100座式點焊機、懸掛焊機一次點焊鉗和二次點焊鉗上進行點焊連接試驗。

試片焊點撕裂情況：

（1）座式點焊機試片：

焊點直徑達到φ6mm、焊點撕裂有效熔合面為φ6mm，焊接電流為3500A、焊接時間為12（Cy）、加壓時間為16（Cy）。

（2）一次點焊鉗試片：

焊點直徑達到了φ6mm、焊點撕裂有效熔合面為φ 6mm，焊接電流為11000A、焊接時間為12（Cy）、加壓時間為16（Cy）。

（3）二次點焊鉗試片：

焊點直徑達到了φ7mm、焊點撕裂有效熔合面為φ 7mm，焊接電流為11000A、焊接時間為12（Cy）、加壓時間為16（Cy）。

根據(jù)試片焊接對比分析，同等焊接參數(shù)：座式點焊機點焊、懸掛焊機一次焊鉗和二次焊鉗的點焊效果相同，區(qū)別在于懸掛焊機的焊接時間和焊接加壓時間為設定后自動控制，對批量點焊參數(shù)一致性保持可靠。座式點焊機的焊接時間和加壓時間的長短設定后，需要人為控制，批量生產(chǎn)時相對懸掛焊機操控穩(wěn)定性差。

5、優(yōu)化及整改驗證

根據(jù)以上分析，懸置支架失效的主要原因是焊接未到位產(chǎn)生虛焊以及支架本身結(jié)構(gòu)強度不足導致；針對懸置支架開裂失效模式的兩個原因，開展優(yōu)化分析：

1.調(diào)整焊接工藝，由座式點焊機調(diào)整為一次點焊鉗；

2.優(yōu)化懸置支架結(jié)構(gòu)和材料，提升支架強度；材料由DC04優(yōu)化為SAPH440，在應力最大處增加加強板結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖8。

對于優(yōu)化后的懸置支架，開展工況7狀態(tài)下CAE分析，安全系數(shù)提升到1.3，滿足設計目標；制做樣件，開展臺架試驗，按照±2.5G加載，完成100萬次臺架可靠性試驗，未產(chǎn)生開裂失效。完成兩輪整車道路試驗，折合20萬公里，懸置支架未產(chǎn)生開裂失效。

6、結(jié)論

通過以上有限元CAE理論分析，結(jié)合焊接試驗，確認導致裂懸置支架開裂失效的主要原因是支架結(jié)構(gòu)強度和焊接工藝不滿足設計要求。

針對失效模式產(chǎn)生的原因，優(yōu)化懸置支架結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)，整改后的懸置支架安全系數(shù)達到1.3；經(jīng)過臺架試驗及道路試驗驗證，有效的解決了支架失效。

[1] 孫靖民，梁迎春．機械優(yōu)化設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

[2] 龐劍，諶剛，何華．汽車噪聲與振動一理論與應用．北京：北京理工大學出版社，2006．

[3] 潘孝勇，柴國鐘，劉飛，等．懸置支架的優(yōu)化設計與疲勞壽命分析[J]．汽車工程，2007，29(4)：341-345．

由上表可以看出，即使是使用相同估計的頻率響應數(shù)據(jù)，使用不同的模態(tài)估計算法，也會導致不同的結(jié)果。POLYMAX算法MPC計算值高于LSCE算法，POLYMAX算法估計模態(tài)可靠性更高。

4.2 仿真誤差分析

仿真分析中誤差首先是模態(tài)結(jié)構(gòu)模型的誤差。模態(tài)分析中的結(jié)構(gòu)模型取的是線性數(shù)學模型，忽略了一些非線性因素對實際結(jié)構(gòu)的影響。實際結(jié)構(gòu)中存在的這些不確定非線性因素，在現(xiàn)有的線性模態(tài)分析數(shù)學模型中是不可能消除的。

其次就是模型離散化帶來的誤差。離散化精度與網(wǎng)格大小有關，網(wǎng)格越密集，自由度越多，精度越高。但網(wǎng)格密集后，計算效率就降低，工程中需要權衡計算精度與計算效率之間的利與弊。

再次是建模誤差，有限元模型中的物理參數(shù)（密度、彈性模量、泊松比）不可能完全跟實際情況吻合，這之中必增大了分析結(jié)果與實際模型的誤差。焊點的模擬誤差，焊點采用ACM和CWELD方式模擬計算得到的模態(tài)頻率值不一。

上表可以看出，使用ACM單元模擬焊點計算模態(tài)頻率高于CWELD單元模擬焊點，CWELD焊點模擬剛度偏弱，這之中必定存在對計算結(jié)果影響的誤差。

5、結(jié)論

模態(tài)分析誤差實屬正常，無論是試驗模態(tài)還是仿真模態(tài)。在兩者不太吻合的時候，工程師需理性的分析其差別產(chǎn)生的原因。

參考文獻

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[3] 仇彬，張代勝，張林濤.轎車白車身的有限元模態(tài)與試驗模態(tài)分析研究.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.

[4] 夏青松.轎車車身分析模態(tài)與試驗模態(tài)對比研究.計算機應用.

Analysis and Optimization design of engine mounting bracket

Li Libo, Bai Long
（Anhui JiangHuai automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

Aiming at the failure ofengine mount bracket of a model of truck,effective solutions is put forward. According to CAE analysis of structure designand welding technics,the structure, material and welding technics are optimized. The reliability test results showed that the optimized engine mounting bracket was accorded to design.

engine mountingbracket; strength analysis; Optimal design

U467.2

A

1671-7988(2015)06-59-04

李立波，安徽江淮汽車股份有限公司工程師。