某乘用車副車架早期開裂原因分析及改進

尹輝俊，姜美姣

(廣西科技大學(xué) 機械學(xué)院，柳州 545006)

某乘用車副車架早期開裂原因分析及改進

尹輝俊，姜美姣

(廣西科技大學(xué) 機械學(xué)院，柳州 545006)

0 引言

乘用車副車架設(shè)計初期，通常應(yīng)試制樣件，對樣件進行疲勞壽命校核，借助疲勞臺架試驗系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)進行周期循環(huán)加載，以驗證結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。某乘用車副車架在疲勞臺架實驗階段發(fā)生早期開裂失效，未實現(xiàn)設(shè)計壽命，為解決此問題，首先結(jié)合多工況靜強度有限元分析及應(yīng)變電測實驗，對副車架進行危險工況靜力分析。找出副車架臺架實驗開裂的原因，在此基礎(chǔ)上提出改進方案，再經(jīng)多批次臺架實驗驗證改進效果。

圖1為副車架開裂照片。對多個副車架樣件進行疲勞臺架試驗，開裂位置基本相同。均出現(xiàn)在擺臂后聯(lián)接點的外邊緣過渡處。分析開裂特征，裂紋附近無明顯毛刺，故擬應(yīng)用有限元法分析其在危險工況下的應(yīng)力分布情況。

圖1 副車架開裂圖片

圖2 副車架有限元模型

1 危險工況靜力分析

1.1 有限元模型的建立

副車架為薄板沖壓焊接結(jié)構(gòu)，故在Hypermesh中以副車架中面[1,2]為基礎(chǔ)，利用四邊形殼單元[3～5]進行網(wǎng)格劃分，建立副車架的有限元模型。采用實體單元與剛性單元相結(jié)合的方式模擬焊縫[6]，長度與實際的焊縫長度相符。

1.2 材料屬性

副車架共采用SAPH440汽車結(jié)構(gòu)鋼和20#鋼兩種材料，其中SAPH440汽車結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度為305MPa，抗拉極限強度為440MPa；20#鋼的屈服強度為275MPa，抗拉極限強度為445MPa。按照材料的實際屬性，將副車架有限元模型的彈性模量取為2.1×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.8×10-9t/mm3。

1.3 邊界條件及載荷工況

副車架的惡劣工況為緊急制動工況和普通加速工況。此二工況約束副車架與車身安裝點的移動自由度，圖2中三角形為施加約束位置；依此二工況的受力情況在擺臂安裝點、左右轉(zhuǎn)向器安裝孔施加力。襯套及聯(lián)接螺栓均以剛性單元模擬。圖2箭頭為施力位置。

1.4 結(jié)果分析

使用NX-Nastran作為求解器，得到的危險工況應(yīng)力分布云圖見圖3。分析應(yīng)力云圖可知。在發(fā)生開裂的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，與開裂位置相符。應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力為172.06MPa。

圖3 前副車架有限元應(yīng)力分布云圖

2 應(yīng)力測試

為驗證有限元分析方案，進行應(yīng)力應(yīng)變電測試驗。在前副車架疲勞臺架實驗的開裂位置布置測點；使用DH3816靜態(tài)應(yīng)變儀，借助疲勞臺架測試系統(tǒng)模擬副車架危險工況施加載荷，測試得到向前加載時測點應(yīng)力114MPa，向后加載時測點應(yīng)力為138MPa。與有限元分析結(jié)果基本相符。證明有限元分析結(jié)果符合實際工況。圖4為電測測點，測試數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)對比情況見表1。

圖4 電測實驗的測點圖

表1 電測數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果對比

3 開裂原因分析及改進方案

由有限元靜力分析及電測實驗對比可知，疲勞臺架實驗中出現(xiàn)開裂的位置應(yīng)力集中明顯，為局部結(jié)構(gòu)不合理引起的應(yīng)力集中，故將開裂處的異形外邊緣拉直，圖5為改進前后的副車架模型。

圖5 副車架改進圖

4 驗證改進方案

4.1 危險工況靜力分析

按前述材料屬性及邊界條件建立改進副車架的有限元模型，進行危險工況的靜力分析，得到應(yīng)力分布云圖見圖6。改進后的副車架應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善。

圖6 改進后的副車架應(yīng)力分布云圖

4.2 疲勞臺架實驗

疲勞臺架試驗采用PWS-30二通道電液伺服汽車副車架及車軸疲勞實驗機，按疲勞[7～10]試驗規(guī)范，在左右擺臂聯(lián)接點交替施加6000±N作用力，以模擬加速和制動工況，圖7為臺架實驗加載圖片。對改進后的副車架進行多批次臺架實驗，結(jié)果表明，改進后副車架未出現(xiàn)開裂問題。驗證了改進方案的可行性。

圖7 副車架疲勞臺架試驗加載圖片

5 結(jié)論

從前副車架開裂現(xiàn)象出發(fā)，以副車架在危險工況下的受力情況為邊界條件進行了有限元靜力分析，結(jié)合疲勞臺架，進行了應(yīng)力應(yīng)變電測試驗，在驗證有限元分析結(jié)果的同時，分析了開裂原因，進而提出改進方案，改進方案經(jīng)過多批次疲勞臺架試驗證實，前副車架再未出現(xiàn)開裂問題。

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The analysis on the reasons for the earlier fatigue break of a passenger car frame & improvement

YIN Hui-jun，JIANG Mei-jiao

某乘用車副車架在臺架試驗過程中出現(xiàn)早期開裂失效，根據(jù)該臺架試驗對應(yīng)的副車架工況確定邊界條件進行有限元靜力分析，得到危險工況下的應(yīng)力分布情況。通過電測試驗驗證有限元分析結(jié)果。根據(jù)有限元計算結(jié)果分析開裂原因，并提出對策。對改進后的副車架進行的臺架試驗證實，改進后開裂問題得到解決。

副車架；有限元；應(yīng)變電測試驗；疲勞臺架試驗

尹輝俊（1972 -），男，廣西柳州人，教授，碩士，主要研究方向為車輛關(guān)鍵零部件設(shè)計與制造。

U463

A

1009-0134(2014)05(下)-0117-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).33

2014-01-12

廣西高等學(xué)校優(yōu)秀人才資助計劃項目（桂教人〔2011〕40號）；廣西自然科學(xué)基金項目（2013GXNSFAA019319）；廣西科技計劃項目（桂科攻1348005-12）；廣西重點實驗室建設(shè)項目（13-051-38）；廣西研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目（2013105940802M01）