某商用車車架總成零部件失效故障分析

廉蓉 葉軍 鄭志強

摘 要：車架總成零部件開裂是一種常見的失效模式。在處理同一期間多個零部件失效時，若逐一優(yōu)化零部件會造成大量的資源投入，加大售后市場的操作難度。文章通過對某商用車車架總成中三種零部件失效的案例分析，介紹了一種故障分析解決方法，通過解決關鍵問題實現(xiàn)解決全部問題。并結合故障數(shù)據(jù)分析、CAE仿真分析及市場驗證，證明了這一方法的有效性，提高了解決問題的效率。

關鍵詞：車架總成零部件;故障分析

中圖分類號：U463.32+6? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-61-03

Failure Analysis of a Commercial Vehicle Frame Assembly Parts

Lian Rong， Ye Jun， Zheng Zhiqiang

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd， Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Xian 710200）

Abstract： Cracking of frame assembly parts is a common failure mode. When dealing with the failure of multiple parts in the same period， if the parts are optimized one by one， it will cause a lot of resource investment and increase the operation difficulty of the after-sales market. In this paper， through the case analysis of the failure of three parts of t a commercial vehicle frame assembly， a fault analysis and solution method is introduced， and all problems are solved by solving the key problems. Combined with fault data analysis， CAE simulation analysis and market verification， the effectiveness of this method is proved， and the efficiency of problem solving is improved.

Keywords： Frame assembly parts; Failure analysis

CLC NO.： U463.32+6? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-61-03

引言

某商用車車架采用邊梁式結構，在使用過程中出現(xiàn)車架上管狀橫梁（以下簡稱“管梁”）、盆狀橫梁（以下簡稱“盆梁”）、車架前端附件局部開裂的情況。多種部件失效需要考慮其相互之間的關聯(lián)性，通過解決關鍵問題達到解決全部問題的目的。本文主要采用了這一方法，并結合故障數(shù)據(jù)分析、CAE仿真分析及市場驗證，證明了這一方法的有效性。

1 車架總成零部件失效表現(xiàn)

某型號商用車批量出現(xiàn)管狀橫梁、盆狀橫梁、車架前端附件局部開裂的情況，具體表現(xiàn)如下：

1.1 管梁

管梁支座筋板根部先出現(xiàn)裂紋，逐漸擴展延伸，最后整個支座斷裂脫落，如圖1所示。

1.2 盆梁

盆梁與懸架后支座連接位置出現(xiàn)裂紋，如圖2所示。

1.3 車架前端附件

前端附件下翼面拐點焊縫處出現(xiàn)裂紋，如圖3所示。

以上零部件在車架上的位置如圖4所示：

2 車架總成零部件失效原因分析

2.1 工況分析

根據(jù)車輛運行工況分析，車輛運行車速較低，因此車架主要受垂向沖擊和扭轉為主。

分析圖4車架結構和各橫梁的位置，車架后部因承載貨箱和貨物對車架的沖擊，橫梁較為密集，橫梁強度較強，車架的彎曲、扭轉剛度較強;車架前部因搭載發(fā)動機變速器，橫梁分布較為分散，在前端附件處裝配前橫梁，在發(fā)動機前裝配下沉式的管梁，在前懸架后支座下部裝配盆梁，車架前部的抗彎、抗扭性要弱于后部。在車架受到的扭轉變形如圖5所示，盆梁受后部橫梁的影響，其所在位置的扭轉角度小于前部管梁的扭轉角度，而前端附件處的前橫梁與扭轉角度較大的管梁共同作用，在前端附件處產(chǎn)生應力集中。因此判斷，管梁的抗扭強度較弱，首先發(fā)生失效，失效后前端附件缺少管梁的支撐，同時加劇了盆梁的扭轉，造成兩者的失效。

2.2 故障數(shù)據(jù)分析

2.2.1 零部件故障數(shù)與故障里程分析

分析三種零部件在統(tǒng)計周期內的故障數(shù)占比，管梁故障數(shù)量最多，其次是盆梁，再次是前端附件。

結合故障里程將三種零件對比分析顯示，管梁故障數(shù)峰值出現(xiàn)在1.6萬公里，盆梁和前端附件的故障數(shù)峰值出現(xiàn)在2萬公里，即存在盆梁和前端附件的故障普遍比管梁故障出現(xiàn)晚的現(xiàn)象，如圖6所示。

2.2.2 零部件失效車輛的VIN碼重疊率分析

分析三種失效件的車輛VIN碼重疊率發(fā)現(xiàn)：

（1）盆梁失效的車輛有62.4%發(fā)生管梁失效;前端附件失效的車輛有79.5%發(fā)生管梁失效。

（2）有77.2%的車輛發(fā)生管梁先失效、盆梁后失效;有96.3%的車輛發(fā)生管梁先失效、前端附件后失效。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知，發(fā)生盆梁、前端附件失效的故障車輛中，多數(shù)管梁均發(fā)生失效，且普遍存在管梁的故障里程小于等于其他兩種零部件的故障里程，與工況分析結果相印證。

2.3 CAE分析

2.3.1 分析驗證工況與零部件失效的關系

在不同扭轉工況加載下分析管梁的強度。對角扭150mm與對角扭300mm時管梁的強度表現(xiàn)如圖7所示。

對比說明，隨著工況的惡劣程度加深，管梁的安全因子降低，工況惡劣是造成管梁失效的重要原因。管梁實際故障點與理論分析的風險點位置基本相同。

分析三種零部件在對角扭300mm時的強度表現(xiàn)，管梁的安全因子最低，其次是前端附件，再次是盆梁。說明管梁最先失效的風險最大。

2.3.2 分析驗證盆梁與前端附件失效位置

（1）盆梁CAE分析

通過分別對有無管梁狀態(tài)下的盆梁進行CAE分析（見圖8），發(fā)現(xiàn)無管梁狀態(tài)（即管梁失效）較有管梁狀態(tài)的盆梁安全因子小，即管梁失效后，盆梁失效風險增加。實際故障點與理論分析的風險點位置基本相同。

（2）前端附件CAE分析

通過分別對有無管梁狀態(tài)下的前端附件進行CAE分析（見圖9、圖10），發(fā)現(xiàn)無管梁狀態(tài)（即管梁失效）較有管梁狀態(tài)的前端附件安全因子顯著小，即管梁失效后，前端附件失效風險增加。實際故障點與理論分析的風險點位置基本相同。

3 零部件改進方案

通過原因分析、故障數(shù)據(jù)分析及CAE驗證，基本可以確定，管梁失效最先發(fā)生，隨之前端附件、盆梁等出現(xiàn)裂紋。故可以確認最終優(yōu)化方案，即通過加強管梁來降低整車故障率。

通過采用延伸加強筋、增加零部件壁厚等方法對管梁結構進行改進，并結合CAE分析改進前后管梁強度（見圖11），

證明優(yōu)化后的管梁最小安全因子有所提高，管梁強度有所改善。

4 優(yōu)化后產(chǎn)品市場表現(xiàn)

優(yōu)化后零部件投入市場后，車輛運行16個月未反饋故障信息，驗證了原因分析的正確性及零部件優(yōu)化的有效性。

5 結束語

對于車架總成多個零部件失效的分析和解決，本文并沒有采用對零部件逐一優(yōu)化的方法，而是通過解決關鍵零部件問題達到解決全部問題的目的，其中加入了多維度的分析方法：

（1）分析多個失效零部件之間的關聯(lián)性，避免割裂的分析問題;

（2）故障數(shù)據(jù)的分析將問題場景轉化為數(shù)據(jù)信息，輔助驗證問題發(fā)生的原因;

（3）CAE分析中通過策劃一系列的對比分析，既要驗證分析邏輯的正確性，又要印證零部件實際失效表現(xiàn)，支持解決問題的思路;

（4）零部件優(yōu)化后需通過CAE和市場的雙重驗證，有效關閉問題。

采用該方法能夠節(jié)省資源投入，提高解決問題的效率。

參考文獻

[1] 王霄鋒.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010，221-228.

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