汽車前副車架開(kāi)裂失效分析

王福平，龐院，姜發(fā)同，袁成逸，秦艷超

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

引言

汽車副車架是前后車橋的重要組成部分，它并非完整的車架，只是支承前后車橋、懸掛的支架，使車橋、懸掛通過(guò)它再與“正車架”相連，習(xí)慣上稱為“副架”，在副車架上，前后懸掛可以先組裝在副車架上，構(gòu)成一個(gè)車橋總成，然后再將這個(gè)總成一同安裝到車身上[1]。副車架主體是大板沖壓件的合成焊接，主體關(guān)鍵焊裝工序采用上下板扣合的方式進(jìn)行焊接，上下板形成一個(gè)整體[2]，然后通過(guò)懸置與車身柔性連接，既能保證連接剛度，又能有很好的震動(dòng)隔絕效果，是汽車上重要架構(gòu)件，一旦失效，會(huì)對(duì)舒適性與安全性造成重大影響。

保證副車架總成的焊接強(qiáng)度，就要安排合理的焊接工藝，充分考慮焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中問(wèn)題[3]。隨著CAE技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其在汽車性能分析中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。根據(jù)分析結(jié)果，可以找出結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域[4]，本案例通過(guò)分析副車架開(kāi)裂原因，結(jié)合CAE計(jì)算結(jié)果，制定特定工況的驗(yàn)證方案，可節(jié)約驗(yàn)證周期與成本，并有效提高工作效率。

1 背景介紹

某車型開(kāi)展整車耐久性能驗(yàn)證時(shí)（2輛試驗(yàn)車），過(guò)程點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)其中一輛試驗(yàn)車前副車架右側(cè)鈑金(右前下擺臂后固定點(diǎn)附近）開(kāi)裂（詳見(jiàn)圖1）。試驗(yàn)循環(huán)為GPT1:387循環(huán)，GPT2:400循環(huán)；試驗(yàn)百分比為98.4 %；試驗(yàn)規(guī)范為整車GPT耐久試驗(yàn)。另一輛車結(jié)束整車耐久性能驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)同一位置開(kāi)裂，狀態(tài)一致。經(jīng)確認(rèn)，2臺(tái)前副車架為同一批次。

圖1 前副車架開(kāi)裂圖片

2 裝配/結(jié)構(gòu)分析

對(duì)問(wèn)題副車架周邊裝配件狀態(tài)進(jìn)行排查，擺臂與車架狀態(tài)正常，安裝的襯套無(wú)破損。對(duì)問(wèn)題副車架與設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，以副車架在整車安裝狀定位態(tài)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂位置附近下表面縱梁上板與下板焊接位置異常，該位置未按標(biāo)準(zhǔn)要求預(yù)留3~6 mm焊接余量（見(jiàn)圖2）。

圖2 開(kāi)裂位置附近下表面縱梁上板與下板

排查前期該車型整車耐久性能驗(yàn)證情況，發(fā)現(xiàn)前期車輛耐久性能驗(yàn)證后，前副車架均未開(kāi)裂，且對(duì)應(yīng)焊縫均按標(biāo)準(zhǔn)要求預(yù)留3~6 mm焊接余量。

3 設(shè)計(jì)校核

CAE分析排查：CAE分析鈑金壽命值＞120，要求＞4，CAE分析鈑金壽命值合格，且安全余量較大（見(jiàn)圖3）。

對(duì)斷口進(jìn)行宏觀分析，斷口表面腐蝕，但鋼板邊緣可見(jiàn)疲勞臺(tái)階，斷裂起始于沖切面與上表面交界處，斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂（見(jiàn)圖7）。

圖3 CAE分析狀態(tài)

4 . 失效件分析

由于2臺(tái)副車架分析結(jié)果相近，以下只展示第一輛車副車架分析結(jié)果。

4.1斷口分析

提出了一種基于激光測(cè)徑儀和激光二維掃描的光滑極限量規(guī)快速測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)地闡述了測(cè)量原理、測(cè)量流程、數(shù)據(jù)處理算法以及軟硬件結(jié)構(gòu)。其非接觸式、無(wú)損式的測(cè)量方法，可以保證快速高效地完成塞規(guī)尺寸和形狀誤差項(xiàng)目的綜合檢定。通過(guò)不確定度分析可知，本系統(tǒng)滿足給定尺寸范圍內(nèi)塞規(guī)檢定的不確定度要求。本文所搭建的測(cè)量系統(tǒng)，為塞規(guī)一體化快速檢定奠定了基礎(chǔ)。

圖4 開(kāi)裂位置上表面狀態(tài)

圖5 開(kāi)裂位置上表面狀態(tài)

圖6 邊緣沖切面狀態(tài)

前段時(shí)間，全國(guó)多地遭遇歷史罕見(jiàn)高溫悶熱天氣。就在大家想辦法避暑時(shí)，中農(nóng)控股有這樣一群人，頭頂烈日，在海拔將近3000米的鉀肥生產(chǎn)基地，揮汗如雨，默默付出。

圖7 斷口宏觀照片

4.2 材質(zhì)分析

對(duì)開(kāi)裂件進(jìn)行金相分析，開(kāi)裂源區(qū)附近平行于斷口方向存在另一條裂紋，表面存在腐蝕坑（見(jiàn)圖8），斷口處金相組織為鐵素體+珠光體（見(jiàn)圖9），遠(yuǎn)離斷口位置金相組織為鐵素體+珠光體（見(jiàn)圖10），組織基本一致。

在開(kāi)裂位置上表面進(jìn)行觀察，焊道附件鋼板表面存在焊渣，裂紋擴(kuò)展已延伸至焊道上，裂紋存在轉(zhuǎn)折（見(jiàn)圖4）；下表面觀察，裂紋為貫穿狀態(tài)，長(zhǎng)度為4 mm（見(jiàn)圖5）；邊緣沖切面狀態(tài)較好，無(wú)明顯沖切痕跡（見(jiàn)圖6）。

在斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，滿足SAPH440材料的化學(xué)成分要求，結(jié)果合格。

表1 化學(xué)成分測(cè)試（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

4.2.3 金相分析

（5）柑橘硒含量平均值達(dá)0.029 mg/kg，柑橘富硒程度較高，59.92%的柑橘樣品達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)。

為分析焊接對(duì)開(kāi)裂位置材料性能的影響，在斷口附近與遠(yuǎn)離斷口與焊道的基材位置分別進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，硬度值接近。

表2 維氏硬度檢測(cè)

4.2.2 硬度分析

前副車架設(shè)計(jì)狀態(tài)校核結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)有較大安全余量，可以排除此項(xiàng)因素；材質(zhì)分析結(jié)果顯示，失效件材料無(wú)問(wèn)題，開(kāi)裂位置與基材硬度、金相組織一致，能夠排除焊接對(duì)材料性能的影響，且表面腐蝕坑為鋼板開(kāi)裂漆膜破損后導(dǎo)致，非導(dǎo)致開(kāi)裂因素；對(duì)失效件與設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂位置附近下表面縱梁上板與下板焊接位置異常，焊道未按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行（未按標(biāo)準(zhǔn)要求預(yù)留3~6 mm焊接余量），這會(huì)加劇開(kāi)裂對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力集中，降低疲勞壽命值；對(duì)前期整車耐久性能試驗(yàn)車狀態(tài)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)前副車架均未開(kāi)裂，且對(duì)應(yīng)焊縫均按標(biāo)準(zhǔn)要求預(yù)留3~6 mm焊接余量，由此可知，開(kāi)裂位置附近焊縫是否留出余量會(huì)影響副車架疲勞壽命，是影響副車架疲勞壽命的重要因素。

4.2.1 化學(xué)成分分析

圖8 斷裂源區(qū)金相組織照片 100 X

圖9 斷裂源區(qū)金相組織照片 500 X

圖10 基體金相組織照片 500 X

5 失效原因分析

問(wèn)題在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)非常常見(jiàn)，往往是教師與學(xué)生之間進(jìn)行交互的途徑，但是問(wèn)題的應(yīng)用功能卻不僅限于此。在進(jìn)行小學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)教學(xué)的過(guò)程中，教師能夠利用問(wèn)題來(lái)構(gòu)建教學(xué)的情境，促進(jìn)學(xué)生在多樣問(wèn)題的思考中，發(fā)展數(shù)學(xué)思維，深化對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)高效課堂的構(gòu)建。

綜上所述，推斷副車架縱梁上板與下板焊道未按照設(shè)計(jì)要求留出余量，加劇開(kāi)裂對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力集中，是導(dǎo)致副車架在整車耐久試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)裂的主要因素。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

整車耐久性能驗(yàn)證試驗(yàn)中，懸架主要有上下振動(dòng)、加速、制動(dòng)、側(cè)向力和扭轉(zhuǎn)等工況[5]，經(jīng)CAE分析，加速與制動(dòng)工況時(shí)開(kāi)裂位置受力最大，副車架被施加載荷如圖11，按照該條件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，各選2臺(tái)失效狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)副車架進(jìn)行試驗(yàn)直至開(kāi)裂，對(duì)比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂位置一致，設(shè)計(jì)狀態(tài)下的臺(tái)架循環(huán)次數(shù)較失效件狀態(tài)的臺(tái)架循環(huán)次數(shù)最低增加41 %（見(jiàn)表3）。失效件在路試進(jìn)行98.4 %時(shí)發(fā)生開(kāi)裂，通過(guò)計(jì)算，可以確定設(shè)計(jì)狀態(tài)副車架能夠滿足整車耐久性能試驗(yàn)要求。

圖11 副車架被施加載荷狀態(tài)

表3 對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

7 結(jié)論

1）前副車架斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，失效件下表面縱梁上板與下板未按設(shè)計(jì)要求留出焊接余量，加劇開(kāi)裂對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力集中，是導(dǎo)致副車架試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)裂的主要原因，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，確認(rèn)設(shè)計(jì)狀態(tài)副車架能夠滿足整車耐久性能試驗(yàn)要求；

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2）針對(duì)副車架焊接問(wèn)題，調(diào)整焊接工序要求，現(xiàn)場(chǎng)張貼警示卡進(jìn)行警示，明確要求焊縫到鈑金