何小顫，姜月，王家鵬，劉磊，馬海清

摘 要：副車架為連接車身和車輪的重要承載零部件。針對(duì)某車型后副車架安裝點(diǎn)在臺(tái)架試驗(yàn)與道路試驗(yàn)中多次出現(xiàn)開裂問題，文章針對(duì)試驗(yàn)中的開裂部位進(jìn)行了材質(zhì)化驗(yàn)、開裂分析、CAE分析與實(shí)車驗(yàn)證，成功解決了此處安裝點(diǎn)開裂的問題。

關(guān)鍵詞：副車架安裝點(diǎn);開裂分析;實(shí)車驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U463.32 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2019）23-148-03

Analysis and Solution of Cracking at Installation Point of Rear Sub-frame

He Xiaochan， Jiang Yue， Wang Jiapeng， Liu lei， Ma Haiqing

（ LieBao Automobile Research Institute， Beijing 101300 ）

Abstract： The sub-frame is an important bearing part connecting the body and wheel. The cracks occurred at the installation points of the rear sub-frame of a certain type of vehicle during bench and road tests for many times. In this paper， material testing， cracking analysis， CAE analysis and real vehicle verification are carried out for the cracked parts in the test. The cracking problem at the installation point was successfully solved by the above method.

Keywords： Installation point of sub-frame; Cracking analysis; Vehicle verification

CLC NO.： U463.32 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）23-148-03

前言

SUV車型具有較大的乘坐空間，較好的舒適性和通過性，越來越多的被更多的家庭所接受。車身除了滿足駕駛員的乘坐需求外，還需要承載輪胎從地面反饋的扭轉(zhuǎn)與振動(dòng)。故而車身需要有足夠的強(qiáng)度、剛度要求。車身設(shè)計(jì)開發(fā)驗(yàn)證過程中，會(huì)出現(xiàn)車身鈑金的開裂、失效等問題[1][2]。本文分析了一款SUV車型后副車架車身側(cè)安裝點(diǎn)鈑金開裂問題，通過CAE分析與試驗(yàn)等手段，對(duì)問題進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，為車身鈑金開裂等問題的排查與整改提供了依據(jù)。

1 問題描述

在多通道臺(tái)架試驗(yàn)與綜合耐久試驗(yàn)過程中，后副車架安裝點(diǎn)車身側(cè)鈑金出現(xiàn)開裂。開裂詳細(xì)情況如表1和圖1所示：

圖1 ?副車架車身側(cè)安裝點(diǎn)實(shí)車開裂圖

表1 ?后副車架安裝點(diǎn)鈑金開裂情況記錄表

2 原因分析

根據(jù)疲勞破壞的過程可知，零件在交變載荷作用下，在結(jié)構(gòu)有缺陷部位或者應(yīng)力集中部位，結(jié)構(gòu)形成塑性變形結(jié)晶，繼而在晶粒界面之間滑移形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定程度導(dǎo)致截面再度削弱到截面應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，導(dǎo)致疲勞破壞[3]。

試驗(yàn)中開裂部位的斷面圖，如圖2所示。從疲勞破壞與結(jié)構(gòu)組成分析，零件的材質(zhì)性能、沖壓方式、使用條件、焊接方式、安裝方式、試驗(yàn)條件等諸多方面均與開裂問題相關(guān)。試圖找到問題的根本原因，并制定相關(guān)措施，現(xiàn)從以上幾方面著手進(jìn)行原因分析。

圖2 ?后副車架安裝點(diǎn)斷面圖

2.1 安裝點(diǎn)載荷的影響分析

由道路試驗(yàn)采集的道路載荷譜，按照綜合耐久規(guī)范對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)路面組合與用時(shí)進(jìn)行分析，臺(tái)架上下跳動(dòng)條件下，車身側(cè)存在最大應(yīng)力。

后副車架安裝點(diǎn)加載載荷表2作為加載條件，安裝點(diǎn)處應(yīng)力云圖如圖3所示：

表2 ?后副車架安裝點(diǎn)加載載荷表

圖3 ?安裝點(diǎn)應(yīng)力分部圖

根據(jù)畸變能密度理論，強(qiáng)度條件為：

（1）

式中：

σ1、σ2、σ3 為3個(gè)方向的主應(yīng)力，[σ]為許用應(yīng)力。

由分析結(jié)果可知，安裝點(diǎn)處的最大應(yīng)力為219.5Mp，相對(duì)于零件板材250Mp屈服極限值，安全系數(shù)為1.14，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 零件材質(zhì)性能的影響分析

為確定實(shí)際零件的狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，委托了機(jī)械工業(yè)通用零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行零件材質(zhì)與性能的檢測(cè)。從試驗(yàn)樣車上，切割40mm*80mm的板材樣件交由上述實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行材質(zhì)成分及性能化驗(yàn)?；?yàn)結(jié)果如表3、表4所示：

表3 ?后地板中橫梁延伸板材料成分與性能表

表4 ?后地板中橫梁延伸板材料厚度表

根據(jù)第三方檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合供應(yīng)商的供貨合同原件，可以判定，實(shí)際零件滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

2.3 沖壓成型的影響分析

根據(jù)零件形狀如圖4分析，零件成不規(guī)則的“幾”字型，且深度方向尺寸較大，適宜采用拉延方案制作此零件。具體的工序?yàn)椋豪?沖孔-修邊-整形。此零件采用拉延方式成型，副車架安裝面是凸模與凹模最先接觸的面，此面在零件拉延過程中材料幾乎不流動(dòng)，即材料料厚的減薄非常小。減薄位置主要存在于“幾”字型的側(cè)面處。故可以分析得到，開裂位置與零件沖壓減薄是不相關(guān)的。

圖4 ?后地板中橫梁延伸板3D數(shù)模

2.4 副車架安裝點(diǎn)運(yùn)行條件的影響分析

首次發(fā)現(xiàn)零件開裂時(shí)，車身安裝側(cè)有磨痕和局部掉漆現(xiàn)象，如圖5所示。對(duì)比副車架實(shí)物與點(diǎn)云，發(fā)現(xiàn)副車架實(shí)物尺寸與設(shè)計(jì)尺寸相差較大，局部型面與安裝面間隙小，存在運(yùn)動(dòng)干涉情況。懷疑副車架安裝面存在凸點(diǎn)，即與車身安裝時(shí)，存在點(diǎn)接觸現(xiàn)象，容易對(duì)鈑金形成點(diǎn)接觸的大應(yīng)力現(xiàn)象，從而引起車身鈑金的局部開裂。若安裝點(diǎn)安裝螺栓打緊扭矩出現(xiàn)衰減時(shí)，會(huì)使情況更加惡劣。

為了排除上述原因引起的開裂，在多通道試驗(yàn)臺(tái)上，車身側(cè)4處安裝點(diǎn)增加了2mm厚度的墊片，如圖6所示，并按照設(shè)計(jì)力矩進(jìn)行打緊。在試驗(yàn)進(jìn)行到16786km時(shí)，白車身鈑金出現(xiàn)開裂。故副車架安裝面不平，打緊力矩未滿足設(shè)計(jì)要求的情況可以排除。

圖5 ?第一次問題排查圖 ? 圖6 ?增加墊片試驗(yàn)排查圖

2.5 焊接形式的影響分析

后地板中橫梁延伸板與后副車架安裝管螺母采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，如圖7所示。后地板中橫梁延伸板材料為B210P1，厚度為1.6mm，焊接時(shí)焊接線能較大，板料較薄，焊接時(shí)，極易出現(xiàn)鈑金焊穿現(xiàn)象。焊接質(zhì)量較差，對(duì)安裝點(diǎn)強(qiáng)度及疲勞影響較大[4]。焊接熱影響區(qū)如圖8所示：

圖7 ?后副車架安裝螺母的焊接示意圖

圖8 ?熱影響區(qū)分布圖

其中：

1）過熱區(qū)域內(nèi)奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，塑性和韌度明顯下降;2）相變重結(jié)晶區(qū)的金屬相當(dāng)于進(jìn)行了正火處理，故其組織為均勻而細(xì)小的鐵素體和珠光體，力學(xué)性能優(yōu)于母材;3）不完全重結(jié)晶區(qū)只有部分組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，冷卻后獲得細(xì)小的鐵素體和珠光體，其余部分仍為原始組織，因此晶粒大小不均勻，力學(xué)性能也較差;4）再結(jié)晶區(qū)區(qū)域金屬的力學(xué)性能變化不大，只是塑性有所增加。

此次試驗(yàn)開裂區(qū)域與焊接熱影響區(qū)域吻合，如圖9所示，主要為焊接后熱影響區(qū)的性能下降引起的破壞。

圖9 ?零件焊接圖

3 解決措施及驗(yàn)證

結(jié)合以上分析，采取內(nèi)側(cè)增加加強(qiáng)板的方式，加強(qiáng)板通過點(diǎn)焊與后地板中橫梁延伸板固定成小總成，然后副車架安裝螺母與加強(qiáng)板進(jìn)行CO2保護(hù)焊進(jìn)行固定，如圖10所示，避免CO2保護(hù)焊對(duì)后地板中橫梁延伸板的焊接影響。

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行CAE分析，如圖11所示，安裝點(diǎn)處的最大應(yīng)力為179.9Mp，遠(yuǎn)小于零件板材250Mp屈服極限值，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 ?內(nèi)側(cè)增加加強(qiáng)板方案圖 ? 圖11 ?安裝點(diǎn)應(yīng)力分部圖

實(shí)車采用手工樣件進(jìn)行驗(yàn)證，如圖12、圖13所示，臺(tái)架試驗(yàn)與道路耐久試驗(yàn)均未出現(xiàn)開裂問題，開裂問題得到解決。

圖12 ?措施驗(yàn)證臨時(shí)方案圖 ? ? 圖13 ?臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析可知：1）影響零部件強(qiáng)度的條件除了零件自身材質(zhì)性能外，成型方式、連接工藝，使用條件等對(duì)零件強(qiáng)度有較大的影響;2）CO2氣體保護(hù)焊對(duì)焊接質(zhì)量的影響較大，為了減小焊接對(duì)零件質(zhì)量的影響，需要合理設(shè)置焊接參數(shù)，合理選擇焊件的料厚，以及接頭形式。焊接位置在水平面時(shí)，熔池內(nèi)熔融物受重力影響，容易在較薄板處形成質(zhì)量缺陷。盡量避免在重要安裝點(diǎn)或者安裝面附近進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊，如無法避免，則可以采用增加加強(qiáng)板的方式。

參考文獻(xiàn)

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