某車型制動踏板處前擋板疲勞開裂的改進(jìn)

熊本勝，劉志民，高博

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

某車型制動踏板處前擋板疲勞開裂的改進(jìn)

熊本勝，劉志民，高博

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

針對某車型在進(jìn)行45000km綜合道路可靠性試驗時，在制動踏板處前擋板鈑金出現(xiàn)疲勞開裂的問題進(jìn)行了研究。通過對前擋板鈑金疲勞開裂的原因進(jìn)行分析，參考對標(biāo)車型的設(shè)計思路，提出5種改進(jìn)方案，并利用有限元方法對改進(jìn)的前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛度和強(qiáng)度計算，確定了最佳優(yōu)化方案。最后通過綜合道路可靠性試驗驗證了優(yōu)化方案，解決了鈑金疲勞開裂問題。

前擋板；疲勞開裂；可靠性試驗

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.024

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)11-67-04

前言

在新車型開發(fā)過程中，為了保證車身在使用過程中的可靠性和耐久性，通常會對整車進(jìn)行各種加速破壞的驗證試驗。常規(guī)的驗證試驗有兩種，一種是強(qiáng)化壞路可靠性試驗即PAVE試驗，即在試驗場按照試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行2200km強(qiáng)化比利時壞路可靠性試驗；一種是綜合路耐久試驗，即在試驗場按照試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行45000km綜合道路可靠性試驗。

某車型在進(jìn)行45000km綜合道路可靠性試驗時，前擋板在制動踏板下部安裝點(diǎn)處出現(xiàn)了鈑金疲勞開裂的問題。疲勞開裂總是首先在應(yīng)力最高、強(qiáng)度最弱的基體上形成[1-3]。為了降低應(yīng)力，常用的對策為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時包括對材料選擇的優(yōu)化[4-5]。本文首先對鈑金開裂的原因進(jìn)行分析，參考對標(biāo)車型的設(shè)計思路，對前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化；再結(jié)合CAE分析及道路試驗對改進(jìn)方案進(jìn)行優(yōu)化與驗證。

1、問題分析

某車型試制樣車在某試驗場按照試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行45000km綜合道路可靠性試驗時，試驗的6臺車中有5臺試驗車均出現(xiàn)了前擋板鈑金疲勞開裂，破壞形式一致，故障里程如圖1所示。具體破壞形式是：前擋板在制動踏板下部安裝點(diǎn)處出現(xiàn)一處鈑金疲勞開裂，導(dǎo)致車輛使用存在較大安全隱患，如圖2所示。

圖1　各試驗車鈑金開裂的故障里程

圖2　前擋板鈑金開裂

前擋板總成的結(jié)構(gòu)如圖3所示。儲液罐和真空助力器總成以及制動踏板通過4個安裝點(diǎn)與前擋板及其加強(qiáng)板連接。

前擋板及其加強(qiáng)板承受的載荷主要來自儲液罐和真空助力器總成總的重力G1和制動踏板總成的重力G2、施加給制動踏板的載荷F和由載荷G1、G2、F共同作用形成的扭矩M；這三個載荷和扭矩通過4個螺栓反復(fù)作用在前擋板及其加強(qiáng)板上，如圖4所示。

圖3　前擋板總成的結(jié)構(gòu)

圖4 前擋板總成的載荷分析

由于這4個螺栓對稱分布，則左右側(cè)螺栓所受的作用力和力臂相同。左側(cè)上下2個螺栓承受的作用力分別為T1、T2，螺栓中心到踏板旋轉(zhuǎn)中心的距離分別為L1、L2。根據(jù)靜力平衡條件得：

根據(jù)螺栓變形協(xié)調(diào)條件，各螺栓的變形量與其中心至踏板旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比，于是可以得出如下公式：根據(jù)公式（1）、（2）聯(lián)立求解：

由于下部螺栓中心到踏板旋轉(zhuǎn)中心的距離L2大于上部螺栓中心到踏板旋轉(zhuǎn)中心的距離L1，根據(jù)公式（3）可以得出下部兩個螺栓承受的載荷T2大于上部兩個螺栓承受的載荷T1；因此，在綜合道路可靠性試驗中，在制動踏板下部兩個安裝點(diǎn)區(qū)域更容易發(fā)生前擋板鈑金疲勞開裂，這正好與本文中描述的問題——路試中在制動踏板下方安裝點(diǎn)處前擋板出現(xiàn)一處鈑金開裂（詳見圖2）相符。

鈑金疲勞開裂的原因主要有三種：（1）鈑金材料選擇不當(dāng)，材料抗拉強(qiáng)度低，導(dǎo)致開裂；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，即設(shè)計的結(jié)構(gòu)本身不滿足工況要求，產(chǎn)生鈑金開裂；（3）焊點(diǎn)布置不合理，即焊點(diǎn)布置在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，路試初期焊點(diǎn)處先產(chǎn)生微裂紋，隨著路試進(jìn)行，在交變載荷工況下，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直至宏觀裂縫出現(xiàn)。

根據(jù)前擋板開裂的位置與開裂原因分析，確定前擋板和前擋板加強(qiáng)板更改的方向為選擇適當(dāng)?shù)拟k金材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，并合理布置焊點(diǎn)。

2、優(yōu)化設(shè)計方案

2.1對標(biāo)分析

調(diào)查了市場上六款其它公司的車型，其前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖5 a) ～ f )所示。

圖5　六款其他公司車型的前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)

通過對比以上六款車型，發(fā)現(xiàn)在車型A～車型F的前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中前擋板加強(qiáng)板尺寸做得比較大，長寬尺寸范圍為220mm×150mm～630mm×400mm；前擋板與加強(qiáng)板的焊點(diǎn)較多，焊點(diǎn)數(shù)量為11個～23個。尤其是在車型C和車型D的前擋板加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)中，離合踏板、制動踏板和油門踏板的安裝點(diǎn)至少都是由兩層板結(jié)構(gòu)支撐，而且前擋板加強(qiáng)板是一體鈑金件，較好的承載了踏板載荷，這對后續(xù)改進(jìn)方案的制訂提供了一個良好的思路[6]。

2.2設(shè)計改進(jìn)方案

由于本文中的前擋板和加強(qiáng)板的材質(zhì)和料厚分別為：DC03、0.7mm，B280VK、1.2mm，是比較常用的材質(zhì)和料厚，因此，針對前擋板鈑金疲勞開裂問題，在不更改前擋板及加強(qiáng)板的材質(zhì)和料厚的前提下，本文僅從焊點(diǎn)的數(shù)量、位置、結(jié)構(gòu)膠、加強(qiáng)件大小等影響因素，提出了5種改進(jìn)方案，如表1所示。

表1　前擋板鈑金開裂的設(shè)計方案

3、有限元仿真分析

3.1有限元模型

就前擋板設(shè)計改進(jìn)方案建立有限元模型，對剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析計算，為優(yōu)化設(shè)計方案提供依據(jù)，如圖6、7所示。

剛度有限元仿真分析的工況為：

在制動踏板安裝部位沿著制動主缸軸方向加載300N載荷，載荷由Adams模型提?。ㄈ鐖D6所示）。

強(qiáng)度有限元仿真分析的工況為：

在制動踏板安裝部位沿著踏板垂直面方向加載700N載荷，載荷由Adams模型提取（如圖7所示）。

圖6　剛度有限元分析模型

圖7 強(qiáng)度有限元分析模型

3.2分析結(jié)果

有限元計算的6種方案的剛度值如表2所示，強(qiáng)度應(yīng)力云圖如圖8 所示，最大應(yīng)力分析結(jié)果如表3所示。

表2　前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案剛度分析結(jié)果

注解：根據(jù)剛度的分析結(jié)果，方案二性能下降較多，因此只對其余方案進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖8 五種方案的強(qiáng)度應(yīng)力云圖

有限元分析結(jié)果表明：

方案一，在原方案的基礎(chǔ)上增加結(jié)構(gòu)膠，其剛度由390 N/mm提高到450 N/mm，有效的提升了剛度，但強(qiáng)度提升不明顯。

方案二，不滿足要求，剛度由390 N/mm下降到339 N/mm；分析認(rèn)為，在原方案的基礎(chǔ)上增加了焊點(diǎn)，并將焊點(diǎn)向中間較集中布置，焊點(diǎn)過于密集分布導(dǎo)致了局部剛度明顯變差；

方案三，未見剛度和強(qiáng)度有較大幅度提升，原因是在方案二的基礎(chǔ)上增加了鈑金開裂區(qū)域的焊點(diǎn)布置；

方案四，剛度提升10%，達(dá)到429N/mm，強(qiáng)度提升13.6%，但剛度值較目標(biāo)值450N/mm，仍然偏低21N/mm，不滿足要求。

方案五，剛度由390 N/mm提高到478 N/mm，開焊部位附近最大應(yīng)力由59MPa降至48MPa，強(qiáng)度提升18.6%，滿足剛度450N/mm、強(qiáng)度提升10%的目標(biāo)值。

表3　前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案最大應(yīng)力分析結(jié)果

綜上所述，為了保障制動踏板安裝點(diǎn)有足夠的剛度和強(qiáng)度，采用方案五作為優(yōu)化設(shè)計方案。

4、試驗驗證

針對體現(xiàn)方案五的整車進(jìn)行了2次45000km的綜合道路可靠性試驗。試驗后對車輛進(jìn)行拆解，結(jié)果如圖9、10所示。

從圖中可以看出，在前擋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)周邊，未出現(xiàn)任何焊點(diǎn)和鈑金開裂的現(xiàn)象，制動踏板加強(qiáng)板也未出現(xiàn)可見開裂及變形，符合車身強(qiáng)度和耐久性能要求，鈑金開裂問題得到解決。

圖9　體現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的1號車的試驗結(jié)果

圖10　體現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的2號車的試驗結(jié)果

5、結(jié)論

本文針對某車型在進(jìn)行45000km綜合道路可靠性試驗時，前擋板在制動踏板下部安裝點(diǎn)處出現(xiàn)鈑金疲勞開裂的問題進(jìn)行了研究。通過對前擋板鈑金疲勞開裂的原因進(jìn)行分析，參考對標(biāo)車型的設(shè)計思路，提出了5種改進(jìn)方案，并利用有限元對前擋板及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛度和強(qiáng)度分析，確定了最佳優(yōu)化方案。最后，通過綜合道路可靠性試驗驗證了優(yōu)化方案，解決了鈑金疲勞開裂問題，并得出以下結(jié)論：

1）導(dǎo)致鈑金疲勞開裂的原因有三種，即材料選擇不當(dāng)、設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理、焊點(diǎn)布置不合理；

2）前擋板及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部焊點(diǎn)過于密集，導(dǎo)致局部剛度變差；建議焊點(diǎn)間距范圍：30mm ～ 45mm；

3）加強(qiáng)件的結(jié)構(gòu)和尺寸直接影響前擋板結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，即加強(qiáng)件越大，結(jié)構(gòu)越合理，其局部剛度和強(qiáng)度越強(qiáng)；但由于輕量化、成本等影響因素，加強(qiáng)件的結(jié)構(gòu)和尺寸需要多次優(yōu)化并實(shí)車驗證；

4）在鈑金件的搭接面涂上適量的結(jié)構(gòu)膠可以有效地提高其剛度和強(qiáng)度。

[1]宋天民. 振動時效對焊件疲勞壽命的影響及機(jī)理分析[J]. 吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報, 1997(2):55-58.

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Improvement for fatigue cracking of front dash panel in brake pedal of a car

Xiong Bensheng, Liu Zhimin, Gao Bo
( BAIC Motor Co. Ltd. R&D Center, Beijing 101300 )

This paper studied the problem that the sheet metal part fatigue cracking of front dash panel in brake pedal during the 45000km omnibus road reliability test of an automobile. Based on the research of the sheet metal part of fatigue cracking reasons of front dash panel and the methods of benchmarking cars, put award five improved methods, then analyzed the strength and the rigidity of the reinforced structure of front dash panel by finite element software, and confirmed the optimum improved method. Finally, using the omnibus road reliability test, the new method was testified and the problem of sheet metal part fatigue cracking was completely solved.

front dash panel; fatigue cracking; testing of reliability

U467

A

1671-7988(2016)11-67-04

熊本勝（1982-），男，中級工程師，就職于北京汽車股份有限公司，主要研究方向為車身設(shè)計。