陳衍標(biāo)，陳曉峰

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

扭轉(zhuǎn)梁式半獨(dú)立后懸架系統(tǒng)發(fā)明于上世紀(jì)70年代，但直到今天這種經(jīng)典結(jié)構(gòu)仍然有著強(qiáng)大的生命力，被廣泛用于前輪驅(qū)動(dòng)的中小型轎車的后懸架系統(tǒng)中。雖然在近40年的發(fā)展中，各大汽車廠商對扭轉(zhuǎn)梁式半獨(dú)立懸架不斷進(jìn)行著優(yōu)化，但扭轉(zhuǎn)梁因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低且能滿足一般的汽車動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求而廣泛運(yùn)用。由于后扭轉(zhuǎn)梁既要有足夠的強(qiáng)度來承受汽車運(yùn)行中各種載荷工況，同時(shí)又要能夠提供合適的扭轉(zhuǎn)剛度保證整車的側(cè)傾剛度，從而導(dǎo)致后扭轉(zhuǎn)梁在應(yīng)用中受力比較復(fù)雜，應(yīng)力集中區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域也比較多。扭轉(zhuǎn)梁相互焊縫焊接較近，焊縫局部應(yīng)力集中、熱影響區(qū)微觀組織改變等因素的影響，焊縫疲勞強(qiáng)度一般低于焊接基材自身。本文在某車型扭轉(zhuǎn)梁在開發(fā)和試驗(yàn)工作中，橫梁與彈簧座加強(qiáng)板焊接的焊縫在側(cè)向力試驗(yàn)[1]未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的17.5萬次循環(huán)出現(xiàn)開裂（圖1）失效的問題，對彈簧座加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化、降低焊縫的應(yīng)力，解決扭轉(zhuǎn)梁開發(fā)過程中側(cè)向力試驗(yàn)（圖2）彈簧座加強(qiáng)板焊縫開裂問題。

圖1 彈簧座加強(qiáng)板焊縫開裂

圖2 扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向力試驗(yàn)

1 焊縫失效分析

該扭轉(zhuǎn)梁在進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證試驗(yàn)時(shí)，在側(cè)向力試驗(yàn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的17.5萬次循環(huán)，彈簧座加強(qiáng)板焊縫發(fā)生早期開裂失效現(xiàn)象（圖1），失效出現(xiàn)在試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)約為13萬次左右（表1）。

表1 原設(shè)計(jì)方案扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向力試驗(yàn)壽命次數(shù)表

1.1 材料化學(xué)成分、機(jī)械性能分析

對試驗(yàn)失效零件橫梁（材料QStE460TM，厚度4.5 mm）和彈簧座加強(qiáng)板（材料QStE380TM，厚度3.5 mm）做化學(xué)元素及機(jī)械性能試驗(yàn)檢測。檢測結(jié)果表明，橫梁和彈簧座加強(qiáng)板的化學(xué)元素（表2、表3）及機(jī)械性能的拉伸試驗(yàn)（表4、表5）都符合設(shè)計(jì)規(guī)定的材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 橫梁化學(xué)元素檢測表

表3 彈簧座加強(qiáng)板化學(xué)元素檢測表

表4 橫梁材料機(jī)械性能試驗(yàn)檢測表

表5 彈簧座加強(qiáng)板材料機(jī)械性能試驗(yàn)檢測表

1.2 焊縫金相組織檢驗(yàn)

在扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向力試驗(yàn)焊縫失效處取樣（圖3）進(jìn)行熔深、金相分析檢測。失效件焊縫熔深檢測合格（表6）。焊縫區(qū)金相組織（圖4）檢測為魏氏組織鐵素體+珠光體，柱狀晶呈細(xì)長狀，無鐵素體；熱影響區(qū)金相組織（圖5）檢測為魏氏組織鐵素體+珠光體，狀晶均勻且較細(xì)；說明焊縫焊接質(zhì)量滿足要求。

圖3 故障處焊縫切片

表6 焊縫熔深檢測表

圖4 焊縫區(qū)金相組織（50倍）

圖5 熱影響區(qū)金相組織（50倍）

1.3 焊縫疲勞分析

采用疲勞分析軟件FE-Fatigue推薦的焊縫疲勞分析方法進(jìn)行焊縫壽命預(yù)測，該方法基于S/N方法，先計(jì)算處焊趾點(diǎn)的局部應(yīng)力歷程（焊縫的最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在焊趾附近（圖6），這也就是焊縫由焊趾開裂居多的原因），然后計(jì)算彎曲率，根據(jù)彎曲率對已知的S/N曲線進(jìn)行插值（圖7），得出焊縫壽命分析中需要的S/N曲線，最后對上表面的應(yīng)力歷程進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)、損傷計(jì)算，得出焊縫的疲勞壽命。焊縫疲勞分析流程（圖8）。

圖6 焊縫周圍應(yīng)力梯度

圖7 焊縫的S/N曲線

圖8 焊縫疲勞分析流程圖

通過軟件分析橫梁與彈簧座加強(qiáng)板端頭焊縫的焊趾處存在應(yīng)力集中。

1.4 斷口分析

取橫梁與彈簧座加強(qiáng)板端頭焊縫處的斷口進(jìn)行分析。用掃描電鏡觀察并分析得到如下結(jié)論：裂紋源在低倍形貌具有多源及多條臺(tái)階條紋狀特征（圖9），說明裂紋源處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。放大倍數(shù)后觀察，裂源處未見疏松、氣孔等缺陷，斷口微觀形貌具有疲勞微裂紋紋特征。因此，焊縫該處屬于疲勞開裂，裂源處有應(yīng)力集中現(xiàn)象。而在扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向力試驗(yàn)時(shí)，此處承受交變彎矩作用力下加速了應(yīng)力集中區(qū)域的疲勞失效；裂紋最開始從此處漫延并逐漸擴(kuò)散到整條焊縫。

圖9 斷口裂紋源放大像

1.5 CAE分析

對原方案彈簧座加強(qiáng)板（圖10）結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行CAE分析[2]，將側(cè)向力試驗(yàn)載荷作為CAE分析的輸入載荷，通過軟件計(jì)算分析，橫梁與彈簧座加強(qiáng)板焊縫邊緣處為應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力為284.8MPa（圖11），說明了此處焊縫在承受交變彎矩作用力下有開裂失效的現(xiàn)象存在，而側(cè)向力試驗(yàn)失效位置與CAE分析應(yīng)力最大處一致。

圖10 原方案彈簧座加強(qiáng)板的扭轉(zhuǎn)梁

圖11 原方案側(cè)向力CAE分析結(jié)果

1.6 結(jié)果分析

通過以上分析，扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向力試驗(yàn)開裂的原因?yàn)闄M梁與彈簧座加強(qiáng)板焊縫的焊趾處存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低；在承受交變彎矩作用下，應(yīng)用集中處出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象并逐漸擴(kuò)大至整條焊縫。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)資料顯示，對中、低強(qiáng)度鋼來說，焊縫的疲勞破壞與焊接基材關(guān)系不大，即不太可能通過改變基材的方式來改善焊縫疲勞性能。一般情況下，焊縫的改進(jìn)思路有以下兩種[3]：

（1）通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改變焊縫的受力形式與量級大?。?/p>

（2）通過增加焊縫周圍基材厚度降低焊縫應(yīng)力。

由于側(cè)向力臺(tái)架試驗(yàn)開裂位置在橫梁與彈簧座加強(qiáng)板的焊縫上，通過與其它類似車型的扭轉(zhuǎn)梁對比，大多數(shù)的彈簧座加強(qiáng)板與橫梁搭接的焊縫長度比較長，焊縫長度達(dá)到140 mm以上，而此側(cè)向力臺(tái)架試驗(yàn)開裂的焊縫長度只有70 mm，焊縫長度過短導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)梁在側(cè)向力試驗(yàn)時(shí)焊縫疲勞強(qiáng)度不足且焊縫存在應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致開裂?；谝陨显?，提出彈簧座加強(qiáng)板（圖12）結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，將彈簧座加強(qiáng)板與橫梁搭接的焊縫長度在原來的70 mm增加到150 mm，通過優(yōu)化彈簧座加強(qiáng)板與橫梁搭接邊的長度，提高焊縫的疲勞強(qiáng)度，從而降低焊縫的應(yīng)力集中位置。

2.2 驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)構(gòu)

按優(yōu)化方案的扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析，將側(cè)向力試驗(yàn)載荷作為CAE分析的輸入載荷，通過軟件計(jì)算分析，橫梁與彈簧座加強(qiáng)板焊縫邊緣最大應(yīng)力為107.8 MPa（圖13），優(yōu)化后的橫梁與彈簧座加強(qiáng)板比原方案應(yīng)力減少了177 MPa。

圖13 優(yōu)化方案側(cè)向力CAE分析結(jié)果

優(yōu)化方案的扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行側(cè)向力臺(tái)架試驗(yàn)（圖14）時(shí)，在完成規(guī)定的17.5萬次循環(huán)后橫梁與彈簧座加強(qiáng)板的焊縫未出現(xiàn)裂紋（圖15），壽命達(dá)到30萬次左右（表7）后開始出現(xiàn)裂紋。

表7 優(yōu)化方案扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向力試驗(yàn)壽命次數(shù)表

圖14 優(yōu)化方案扭轉(zhuǎn)梁側(cè)向力試驗(yàn)

圖15 優(yōu)化方案側(cè)向力試驗(yàn)后焊縫

從CAE分析及側(cè)向力試驗(yàn)表明，優(yōu)化方案扭轉(zhuǎn)梁滿足要求。

3 總結(jié)

通過對零件焊縫應(yīng)力集中分析某車型扭轉(zhuǎn)梁疲勞失效的原因，提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，并進(jìn)行了CAE分析及臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)方案可以做到臺(tái)架試驗(yàn)一次成功，減少了產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。此分析方法也為其它類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。