新能源某車型尾門扭桿的開發(fā)與優(yōu)化

甘柳忠，庫才旗，韋賢毅，萬永紅，藍(lán)先，謝寧

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

新能源汽車(純電動(dòng))的動(dòng)力系統(tǒng)由內(nèi)燃機(jī)變成鋰動(dòng)力電池，由此導(dǎo)致新能源車型的總布置及車身結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變，例如傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)如進(jìn)氣系統(tǒng)及進(jìn)氣格柵、排氣系統(tǒng)、消音器等不再出現(xiàn)在新能源車型上。新能源車型的結(jié)構(gòu)變化賦予其更大自由度的造型設(shè)計(jì)和總布置；與此同時(shí)，較為激進(jìn)的造型也對(duì)車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。下文闡述新能源汽車某車型尾門扭桿開發(fā)過程中遇到的斷裂問題，對(duì)失效扭桿進(jìn)行檢測與分析；針對(duì)扭桿失效原因提出材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝改善措施，并對(duì)優(yōu)化措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和扭桿性能認(rèn)可。

1 功能及技術(shù)要求

尾門設(shè)計(jì)除了需要保證自身強(qiáng)度性能外，還需要考慮用戶取放行李方便性及附件安裝維修可行性。扭桿彈簧作為行李箱蓋的開啟輔助裝置，需要滿足一系列的技術(shù)要求，如表1所示[1]。

扭桿材料為公司工程師指定的彈簧鋼牌號(hào)(55CrSi)。使用的彈簧材料必須滿足《汽車禁用物質(zhì)要求》， 此外彈簧材料還需滿足公司的材料標(biāo)準(zhǔn)。尾門零件滿足公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《乘用車尾門扭桿技術(shù)條件》中對(duì)結(jié)構(gòu)耐久及耐腐蝕的要求。尾門扭桿起始位置扭矩和終止位置扭矩滿足圖紙上標(biāo)定的數(shù)值，扭矩衰減量不高于規(guī)定值。開關(guān)門的時(shí)候滿足NVH要求，不能產(chǎn)生異響等(NVH性能目標(biāo))。尾門扭桿滿足尾門技術(shù)要求中的耐久循環(huán)次數(shù)(耐久試驗(yàn)要求，結(jié)構(gòu)耐久)。

表1 新能源車型尾門扭桿需要滿足的技術(shù)要求

2 檢測、分析與優(yōu)化

2.1 檢測與分析

尾門扭桿的結(jié)構(gòu)形式如圖1(a)所示。CAE分析表明扭桿彎角處為應(yīng)力集中處，見圖1(b)(c)。

圖1 尾門扭桿的結(jié)構(gòu)形式和CAE分析結(jié)果

軟工裝樣件認(rèn)證中發(fā)現(xiàn)：采用鋼廠A坯料制作的尾門扭桿進(jìn)行零件耐久性試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行至20 000次循環(huán)(小于A萬次的目標(biāo)要求) 時(shí)，扭桿發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在扭桿彎角處，如圖2所示。扭桿發(fā)生斷裂的位置與CAE分析結(jié)果一致，為扭桿彎角處。對(duì)扭桿斷裂樣進(jìn)行化學(xué)成分、斷口分析和金相組織，具體如下所述。

圖2 尾門扭桿斷裂樣件宏觀狀態(tài)和斷口形貌

觀察圖2(c)所示的斷口宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)斷裂源在表面，它對(duì)應(yīng)的圖2(b)中位置表面有長的劃傷。

對(duì)斷裂樣件的斷口形貌進(jìn)行掃描電鏡分析， 斷口形貌如圖3所示。

觀察斷口橫向，發(fā)現(xiàn)斷裂紋源在表面，如圖3(a)表面箭頭所示，其斷裂起點(diǎn)集中于圖3(a)畫圈處。由圖3(b)觀察到斷裂的對(duì)面有剪切唇，是最后斷裂。

圖3 斷裂樣件的斷口形貌

對(duì)圖3(a)裂紋源處進(jìn)行放大觀察，其形貌如圖4所示，可觀察到裂紋源表面有一缺口。

圖4 斷裂扭桿裂紋源處的放大圖

OES光譜儀分析表明：失效扭桿(55CrSi)各元素的化學(xué)成分符合技術(shù)要求；金相檢測其組織為回火屈氏體。

對(duì)失效扭桿的表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)部分失效扭桿彎角處有脫碳現(xiàn)象，如圖5所示。DALAEI等[2]對(duì)51SiCr7彈簧鋼進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)表面脫碳會(huì)大幅降低彈簧的疲勞壽命。張凱等人[3]研究發(fā)現(xiàn)加熱過程中水汽對(duì)55SiCr彈簧鋼的脫碳產(chǎn)生重要影響，需要在彈簧熱處理過程中控制熱處理的氣氛。

圖5 部分失效扭桿觀測到脫碳(箭頭指示處為脫碳)

此外，通過掃描電鏡觀察部分失效扭桿的芯部組織，發(fā)現(xiàn)有少量的帶狀組織，即存在于晶界上的薄膜狀碳化物，如圖6中箭頭所示。中高碳合金鋼中過多的帶狀組織也會(huì)降低扭桿彈簧的疲勞壽命[4-5]。

圖6 部分失效扭桿芯部觀測到少量的帶狀組織(箭頭所指)(×5 000)

綜合上述分析：扭桿裂紋源起于表面，裂紋源表面處有明顯的缺陷損傷。扭桿是由表面缺陷損傷引發(fā)裂紋源從而導(dǎo)致的疲勞斷裂[6-7]。同時(shí)，表面脫碳和芯部帶狀組織的存在，也會(huì)大幅降低扭桿的疲勞壽命[2-4]。

2.2 改善措施與優(yōu)化

針對(duì)扭桿表面的缺陷損傷，對(duì)原材料(引入鋼廠B的坯料共同進(jìn)行驗(yàn)證)、拉絲及油淬火工藝、扭桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化和扭桿成形工裝的全流程環(huán)節(jié)進(jìn)行控制和改善，如表2所示。

由表2可知：為了驗(yàn)證原材料對(duì)扭桿質(zhì)量的影響，引入另一家鋼廠B的坯料進(jìn)行共同驗(yàn)證。材料工程師負(fù)責(zé)跟蹤鋼廠A和鋼廠B的坯料質(zhì)量(抑制帶狀組織和表面脫碳)以及后續(xù)的拉絲、油淬火工藝處理，確保其表面質(zhì)量符合材料標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。拉絲和油淬火工藝方面，主要通過優(yōu)化油淬火工藝參數(shù)以獲得最佳表面質(zhì)量的彈簧。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，產(chǎn)品工程師負(fù)責(zé)優(yōu)化扭桿結(jié)構(gòu)，對(duì)扭桿彎角進(jìn)行圓角優(yōu)化。最終的成形工藝由扭桿彈簧廠負(fù)責(zé)：改進(jìn)成形工裝，改善扭桿表面的壓痕；優(yōu)化成形速率等成形工藝參數(shù)，盡可能地減少扭桿表面的壓痕及損傷等缺陷。

表2 扭桿質(zhì)量的改善控制措施與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及認(rèn)可

通過上述控制措施的實(shí)施，扭桿彈簧表面質(zhì)量得到改善。將扭桿(鋼廠A和鋼廠B)裝到樣車上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖7—圖8所示。

圖7 尾門扭桿的耐久性試驗(yàn)

圖8 試驗(yàn)完成后的扭桿

采用兩家鋼廠坯料制備的扭桿均通過了尾門扭桿耐久性試驗(yàn)，滿足技術(shù)規(guī)定的循環(huán)次數(shù)(A萬次循環(huán))，且扭桿扭矩的衰減量符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。

扭桿的其他驗(yàn)證項(xiàng)目如NVH、人機(jī)工程和耐腐蝕等驗(yàn)證結(jié)果如表3所列。

通過從材料到結(jié)構(gòu)到工藝系列改進(jìn)措施的實(shí)施，最終采用兩個(gè)鋼廠坯料制作的扭桿彈簧均符合技術(shù)要求，通過所有驗(yàn)證項(xiàng)目的認(rèn)證，完成開發(fā)任務(wù)，確保車型項(xiàng)目的量產(chǎn)日期。

表3 尾門扭桿的驗(yàn)證項(xiàng)目及其結(jié)果

3 總結(jié)

因新能源車型的造型和尺寸等特征發(fā)生變化(造型的自由度更高)，新能源車型尾門扭桿在開發(fā)過程中遇到了新的問題。針對(duì)出現(xiàn)的扭桿斷裂問題，分析其原因?yàn)椋?1)成形工裝對(duì)扭桿表面產(chǎn)生壓痕損傷，產(chǎn)生裂紋源，裂紋源沿垂直斷口表面的方向呈射線狀擴(kuò)展，最終疲勞斷裂，是扭桿失效的主要原因；(2)部分扭桿表面有脫碳；(3)扭桿芯部組織存在少量的帶狀偏析。表面脫碳和帶狀偏析降低扭桿的疲勞壽命。

針對(duì)開發(fā)中遇到的問題，從原材料、拉絲及油淬火工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和圓角優(yōu)化、成形工裝及成形工藝方面進(jìn)行了全流程的控制和改善。經(jīng)優(yōu)化改善后的扭桿符合技術(shù)要求，通過各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，最終順利交付車型項(xiàng)目。