吳成平，許美星，張根志，唐玉福，王艷猛

(北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，北京 101400)

某車(chē)型后懸架故障分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

吳成平，許美星，張根志，唐玉福，王艷猛

(北京福田戴姆勒汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，北京 101400)

針對(duì)某車(chē)型在路試時(shí)中出現(xiàn)的后懸架橫向推力桿車(chē)身連接座及縱向推力桿底部開(kāi)裂故障，進(jìn)行了實(shí)車(chē)強(qiáng)化路況試驗(yàn)及極限工況有限元仿真分析。通過(guò)強(qiáng)化路況試驗(yàn)與仿真分析得知：橫向推力桿支座開(kāi)裂為焊點(diǎn)虛焊所致，而縱向推力桿開(kāi)裂為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致。研究結(jié)論可為工程實(shí)踐提供參考。

后懸架；故障分析；應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)；仿真；改進(jìn)

0 引言

非獨(dú)立懸架因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠及成本低等被廣泛應(yīng)用于貨車(chē)的前、后懸架以及轎車(chē)的后懸架[1]。在工程實(shí)際中，常出現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)件變形或開(kāi)裂等故障，出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象的原因大部分是由于結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力超過(guò)了其材料的屈服強(qiáng)度[2-4]。

現(xiàn)有某非獨(dú)立后懸架車(chē)型在整車(chē)路試實(shí)驗(yàn)時(shí)，后懸架出現(xiàn)故障主要集中在：(1)與車(chē)身連接的橫向推力桿車(chē)身連接座開(kāi)裂(如圖1所示)；(2)縱向推力桿底部開(kāi)裂(如圖2所示)。眾所周知，故障出現(xiàn)部位極為關(guān)鍵，若其得不到及時(shí)有效的解決，將對(duì)該車(chē)型操縱穩(wěn)定性、可靠性和安全性造成極大影響，也將導(dǎo)致該車(chē)型量產(chǎn)被延期甚至否決，給員工和公司造成無(wú)法估量的損失。所以，該問(wèn)題的解決已成燃眉之急。

圖1 橫向推力桿車(chē)身連接座開(kāi)裂 圖2 縱向推力桿底部開(kāi)裂

1 整車(chē)試驗(yàn)分析

針對(duì)出現(xiàn)的故障，參考相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)該車(chē)型試驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行強(qiáng)化路面試驗(yàn)規(guī)劃并進(jìn)行了實(shí)車(chē)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)樣車(chē)一輛(注：為保證車(chē)輛安全，試驗(yàn)車(chē)輛的橫向推力桿車(chē)身連接座已采用縫焊形式)，舉升機(jī)一臺(tái)，LMS測(cè)試儀一臺(tái)，磨砂輪、紗布、應(yīng)變片及連接橋線若干，以及采用標(biāo)記筆、錫焊槍、強(qiáng)力膠及絕緣膠布等對(duì)應(yīng)變測(cè)試片進(jìn)行位置標(biāo)記及固定連接。

根據(jù)故障情況，在可能相關(guān)位置共規(guī)劃布置11個(gè)應(yīng)變片，各應(yīng)變片均采用1/4測(cè)量橋(注：在布置應(yīng)變片的位置應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行拋光處理，以確保其表面光潔)，如圖3—8所示。其中：測(cè)點(diǎn)1表示橫向推力桿車(chē)身連接座承力板沿橫向推力桿軸線的Y向，測(cè)點(diǎn)2表示橫向推力桿車(chē)身連接座加強(qiáng)板沿橫向推力桿軸線的Y向，測(cè)點(diǎn)3表示橫向推力桿車(chē)身連接座承力板根部位置豎直的Z向，測(cè)點(diǎn)4表示橫向推力桿車(chē)身連接座承力板根部位置水平的Y向，測(cè)點(diǎn)5表示橫向推力桿中間位置沿其軸線的Y向，測(cè)點(diǎn)6表示后軸上橫向推力桿安裝座豎直的Z向，測(cè)點(diǎn)7表示左側(cè)縱向推力桿底部中間位置X向，測(cè)點(diǎn)8表示車(chē)身上左螺旋彈簧安裝座豎直Z向，測(cè)點(diǎn)9表示車(chē)身上左減振器(面向車(chē)前進(jìn)方向，下同)安裝座豎直Z向，測(cè)點(diǎn)10表示車(chē)身上右螺旋彈簧安裝座豎直Z向(與測(cè)點(diǎn)8相對(duì)車(chē)身縱向中垂面對(duì)稱(chēng)，未示出)，測(cè)點(diǎn)11表示車(chē)身上右減振器安裝座豎直Z向。

圖3 橫向推力桿車(chē)身連接座總成車(chē)身測(cè)點(diǎn) 圖4 橫向推力桿中間測(cè)點(diǎn)

圖5 橫向推力桿安裝座后軸測(cè)點(diǎn) 圖6 左側(cè)縱向推力桿底部

圖7 左螺旋彈簧安裝座車(chē)身測(cè)點(diǎn)

圖8 左減振器安裝座車(chē)身測(cè)點(diǎn)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)工況[5]如表1所示，限于篇幅，僅選取其中扭曲路和坡道路為例，如圖9—10所示。一共進(jìn)行了5組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)采集2次數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中，所有操作均按規(guī)程，測(cè)試時(shí)頻率帶寬為400 Hz、譜線數(shù)為400 Hz、分辨率為1 Hz。

圖11是扭曲路試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的時(shí)間歷程，圖12是坡道試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的時(shí)間歷程?？梢钥闯觯涸趦煞N路面上測(cè)試的結(jié)果都是左側(cè)縱向推力桿測(cè)點(diǎn)7的動(dòng)應(yīng)變最大，其次是車(chē)身上左螺旋彈簧安裝座測(cè)點(diǎn)8、橫向推力桿安裝座后軸測(cè)點(diǎn)6和橫向推力桿中間測(cè)點(diǎn)5動(dòng)應(yīng)變較大，其他位置動(dòng)應(yīng)變遠(yuǎn)小于這3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)變值。

表1 樣車(chē)試驗(yàn)工況設(shè)置

圖9 扭曲路面 圖10 試驗(yàn)坡道

圖11 扭曲路試驗(yàn)

圖12 坡道試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

表2—6列出了試驗(yàn)過(guò)程各工況下各測(cè)點(diǎn)的最大拉壓應(yīng)變情況，以及由此算出的最大拉壓應(yīng)力，計(jì)算時(shí)材料彈性模量取210 GPa。其中：應(yīng)變單位μE，應(yīng)力單位MPa；正數(shù)表示為拉應(yīng)變及拉應(yīng)力，負(fù)數(shù)表示為壓應(yīng)變及壓應(yīng)力。

由表2—6可知：測(cè)點(diǎn)7(左側(cè)縱向推力桿底部)的拉、壓應(yīng)變均為極值，因該車(chē)是后橋驅(qū)動(dòng)，當(dāng)爬坡時(shí)坡道阻力、道路滾動(dòng)摩擦阻力以及加速阻力一起作用于后橋，導(dǎo)致后橋承受較大的載荷，載荷傳遞至縱向推力桿使其產(chǎn)生應(yīng)變。

表2 扭曲路工況各測(cè)點(diǎn)極限應(yīng)變與應(yīng)力

表3 坡道路工況各測(cè)點(diǎn)極限應(yīng)變與應(yīng)力

表4 砂石路工況各測(cè)點(diǎn)極限應(yīng)變與應(yīng)力

表5 極限靜載工況各測(cè)點(diǎn)極限應(yīng)變與應(yīng)力

表6 平路行駛工況各測(cè)點(diǎn)極限應(yīng)變與應(yīng)力

其中，最危險(xiǎn)工況為測(cè)點(diǎn)7坡道路加速爬坡時(shí)，最大拉應(yīng)力為235.66 MPa，最大壓應(yīng)力為-347.21 MPa，應(yīng)力沿汽車(chē)坐標(biāo)系X方向，此應(yīng)力已超過(guò)縱向推力桿材料的屈服強(qiáng)度235 MPa。所測(cè)應(yīng)力值比較明顯的依次是測(cè)點(diǎn)8(左螺旋彈簧安裝座豎直Z向)、測(cè)點(diǎn)6(橫向推力桿安裝座后軸測(cè)點(diǎn))Z向和測(cè)點(diǎn)5(橫向推力桿中間測(cè)點(diǎn))Y向。測(cè)點(diǎn)5在最危險(xiǎn)的坡道測(cè)試中，其極限拉壓應(yīng)力分別為33.81和-30.6 MPa，在砂石路測(cè)試中的極限拉壓應(yīng)力分別為43.88和-20.69 MPa，均為較低水平。測(cè)點(diǎn)1、2、3、4(位于橫向推力桿車(chē)身連接座上)

的應(yīng)力值較小(均小于30 MPa)。

2 后懸架有限元結(jié)構(gòu)仿真分析

通過(guò)上述實(shí)車(chē)試驗(yàn)可知，在各種工況下，橫向推力桿車(chē)身連接座上及其附近區(qū)域的應(yīng)力值均處于較低水平；在坡道工況下，整車(chē)應(yīng)力最大且出現(xiàn)在左側(cè)縱向推力桿底部(測(cè)點(diǎn)7處)且已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，而此處正好在破壞點(diǎn)附近。

針對(duì)實(shí)車(chē)試驗(yàn)最?lèi)毫拥钠碌拦r，為驗(yàn)證原有點(diǎn)焊形式橫向推力桿車(chē)身連接座及縱向推力桿的應(yīng)力水平，從而印證實(shí)車(chē)試驗(yàn)的結(jié)果，建立了后懸有限元結(jié)構(gòu)分析模型來(lái)對(duì)后懸架故障及結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行研究，以期為改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提供快速有效的指導(dǎo)。

2.1 后懸架有限元模型

通過(guò)對(duì)后懸架進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、相關(guān)屬性設(shè)置、連接關(guān)系建立及邊界加載等流程化操作后，最終建立的有限元模型如圖13所示。由于文中主要目的是針對(duì)橫向推力桿與縱向推力桿的故障進(jìn)行分析，所以建模要點(diǎn)歸納如下：

(1)由于與橫向推力桿、縱向推力桿關(guān)聯(lián)的主要受力結(jié)構(gòu)均為板件結(jié)構(gòu)，所以模型中主要采用四邊形殼Shell單元進(jìn)行模擬。

(2)對(duì)車(chē)身及車(chē)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留部分連接結(jié)構(gòu)且進(jìn)行約束。

(3)模型中運(yùn)動(dòng)副根據(jù)實(shí)際選取仿真軟件中相對(duì)應(yīng)鉸鏈(JIONTs)形式。

(4)點(diǎn)焊采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，焊點(diǎn)與被連接板件間通過(guò)構(gòu)建接觸來(lái)模擬點(diǎn)焊連接；用RB3處理螺旋彈簧與上下支承面的連接。

(5)鉸鏈連接部位或非關(guān)鍵的分析部件，仿真模型中設(shè)置為剛體。

(6)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量屬性通過(guò)添加質(zhì)量點(diǎn)、調(diào)整質(zhì)心及密度等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(7)通過(guò)對(duì)輪胎接地點(diǎn)加載位移來(lái)模擬坡道路面。

圖13 后懸架有限元模型

2.2 后懸架有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

將調(diào)試好后的后懸架有限元模型提交求解器進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明除左縱向推力桿應(yīng)力值較大外，其余應(yīng)力水平均比較低，與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

針對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，由圖14、圖15及表7可知：

圖14 橫向推力桿車(chē)身連接座實(shí)車(chē)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與仿真測(cè)點(diǎn)示意

圖15 縱向推力桿試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與仿真測(cè)點(diǎn)示意

測(cè)點(diǎn)1附近 測(cè)點(diǎn)2附近 測(cè)點(diǎn)3附近 測(cè)點(diǎn)4附近 節(jié)點(diǎn)號(hào)應(yīng)力值/MPa節(jié)點(diǎn)號(hào)應(yīng)力值/MPa節(jié)點(diǎn)號(hào)應(yīng)力值/MPa節(jié)點(diǎn)號(hào)應(yīng)力值/MPa1871335.21753822.61896118.81858018.01872031.61753221.01896420.21896015.91871432.21757112.61896620.51858118.41872428.11757512.21858317.81896317.31871627.11754114.11858216.81858216.81836429.21753117.71896517.71896517.7

(1)橫向推力桿車(chē)身連接座上應(yīng)力水平較低，各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力值僅為35.2 MPa，與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。

(2)CAE計(jì)算最大應(yīng)力出現(xiàn)在縱向推力桿應(yīng)變片位置附近，且數(shù)值為324 MPa，與試驗(yàn)結(jié)果最大數(shù)值347 MPa誤差為6.7%，則認(rèn)為有限元模型及結(jié)果基本可信。且縱向推力桿頂部應(yīng)力也較大，達(dá)到298 MPa，均大于材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，存在破壞風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，通過(guò)有限元仿真計(jì)算分析可得如下結(jié)論：

(1)橫向推力桿車(chē)身連接座開(kāi)裂應(yīng)為虛焊所致(實(shí)車(chē)改為縫焊后故障已不再出現(xiàn))。

(2)縱向推力桿應(yīng)力值過(guò)大，存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在改進(jìn)空間。

2.3 后懸架有限元模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析

針對(duì)縱向推力桿現(xiàn)有結(jié)構(gòu)應(yīng)力值過(guò)大，可采取措施：(1)改進(jìn)縱向推力桿薄弱處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)更換縱向推力桿材料。文中主要就縱向推力桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)：分別通過(guò)在縱向推力桿底部及頂端增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)(如圖16所示)，通過(guò)計(jì)算，改進(jìn)后，縱向推力桿底部最大應(yīng)力由原來(lái)的324 MPa降為248 MPa，頂部最大應(yīng)力由298 MPa降低到212 MPa。實(shí)車(chē)已采取CAE改進(jìn)建議，目前還未反饋故障重現(xiàn)。

圖16 縱向推力桿加強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)論

結(jié)合上述實(shí)車(chē)試驗(yàn)及CAE分析結(jié)果，可得如下結(jié)論：

(1)采用實(shí)車(chē)試驗(yàn)和仿真手段對(duì)故障進(jìn)行了分析，找出故障原因，并通過(guò)仿真方法為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了有效參考。

(2)橫向推力桿車(chē)身連接座開(kāi)裂故障為虛焊所致。建議措施如下：①制造及質(zhì)檢部門(mén)嚴(yán)格控制點(diǎn)焊質(zhì)量，保證不能有虛焊；②可保守將支座連接的點(diǎn)焊形式改為縫焊。

(3)縱向推力桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。改進(jìn)措施如下：①在縱向推力桿底部增加加強(qiáng)板(形成箱型結(jié)構(gòu))；②在縱向推力桿頂部須增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后其應(yīng)力改善效果明顯，可采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化對(duì)底部加強(qiáng)板及頂部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

[1]陳家瑞．汽車(chē)構(gòu)造(下冊(cè))[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014:215-225.

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ResearchonTroubleAnalysisandStructureImprovementatRearSuspensionofSomeVehicle

WU Chengping，XU Meixing，ZHANG Genzhi，TANG Yufu，WANG Yanmeng

(Technology Centre, Beijing Foton Daimler Automotive Co.,Ltd., Beijing 101400,China)

Typical enhanced bad roads conditional experiments and simulation analysis were adopted because the bracket of transverse push rod and the bottom of longitudinal push rod at rear suspension of some vehicle cracked. The results show that the bracket of transverse push rod has been welded failure and the longitudinal push rod has revealed some design defects. The conclusions can supply references to engineering application.

Rear suspension；Trouble analysis；Stress-strain experiment；Simulation；Improvement

2017-04-13

吳成平(1982—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)檐?chē)輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算機(jī)輔助分析、整車(chē)工程開(kāi)發(fā)、整車(chē)性能及零部件可靠性研究等。E-mail：wcp6519@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.08.020

U463.33

A

1674-1986(2017)08-077-06