提升蝶形副車架耐久壽命的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

閆劍韜　譚建　朱雷　覃海營

摘 要：本文從某車型的副車架耐久試驗(yàn)開裂案例進(jìn)行分析入手，探討蝶形副車架的疲勞開裂問題的可能存在的原因。通過優(yōu)化塔架及加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)、優(yōu)化焊縫等方法，結(jié)合CAE分析、臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比、路試驗(yàn)證等方式，找到副車架容易疲勞開裂的原因，以成本最小化的方案優(yōu)化結(jié)構(gòu)并提升蝶形副車架的耐久壽命。

關(guān)鍵詞：副車架 結(jié)構(gòu) 開裂 耐久壽命

Structural Optimization of Butterfly Sub-frame for Improving the Durable Life

Yan Jiantao Tan Jian Zhu Lei Qin Haiying

Abstract：This article starts with the analysis of the cracking case of the endurance test of the sub-frame of a certain model， and discusses the possible causes of the fatigue cracking of the butterfly-shaped sub-frame. By optimizing the structure of the tower and strengthening plate， optimizing the welding seam and other methods， combined with CAE analysis， bench test comparison， road test verification and other methods， the reasons for the fatigue and cracking of the subframe are found， and the structure is optimized and improved with a cost-minimizing plan. Durable life of butterfly subframe.

Key words：sub-frame， structure， crack， durable life.

副車架是重要的底盤零件之一，是支撐前后車橋、懸架的支架，使得車橋、懸架通過副車架再與車架相連。副車架與的強(qiáng)度、剛度和模態(tài)是副車架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。其上裝有轉(zhuǎn)向器、穩(wěn)定桿、前下擺臂和變速器后懸置等眾多重要底盤、動(dòng)力零件，要求副車架必須有足夠可靠性。蝶形副車架在前副車架中是采用較多的一種形式。對(duì)于SUV車型需考核的路面相對(duì)惡劣和復(fù)雜，包括較大深坑、凸起路面、連續(xù)沖擊等各種路況。由此產(chǎn)生的來自路面的各種沖擊載荷都將傳遞給副車架，對(duì)副車架的強(qiáng)度帶來很大考驗(yàn)。

本文結(jié)合某款SUV開發(fā)中其副車架在耐久臺(tái)架試驗(yàn)產(chǎn)生開裂的問題進(jìn)行分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)過CAE分析、臺(tái)架試驗(yàn)及路試等驗(yàn)證，確定蝶形副車架耐久提升優(yōu)化的方案。

1 問題提出

某SUV車型的前副車架為蝶形結(jié)構(gòu)，副車架本體為上下片拼接形成箱型結(jié)構(gòu)的腔體。該副車架通過四個(gè)安裝點(diǎn)與車身連接，而前安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)在由通過焊接在上下片主板上的中塔支架上。副車架將來自路面的各種沖擊載荷傳遞到車身（承載式車身）的主要通道之一便是該支架，其連接結(jié)構(gòu)和連接焊縫的耐久壽命也是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象之一。

在臺(tái)架試驗(yàn)（縱向力試驗(yàn)）中，塔架上板與副車架主體上片的連接焊縫出現(xiàn)耐久壽命不足且開裂情況，如圖1所示。設(shè)計(jì)要求在試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到35萬次以上，實(shí)際上通過25萬次開裂失效。需分析并優(yōu)化結(jié)構(gòu)來提升副車架的耐久性。

2 原因分析

首先對(duì)故障件尺寸進(jìn)行全尺寸檢測，基本符合要求，局部型面略微偏差。

斷口檢測發(fā)現(xiàn)，左右兩側(cè)斷口開裂位置對(duì)稱，開裂形式相同。裂紋沿著主體上片與塔架上片焊縫邊緣開裂，位于主體上片側(cè)。此處有兩條斷開焊縫。斷口均屬于線性疲勞開裂特征，裂源位于焊縫起點(diǎn)處。

剖切焊縫檢測，其熔深、焊腳、堆高及兩板間隙均符合設(shè)計(jì)要求。焊縫長度及位置、焊接長度及參數(shù)符合要求。

通過檢測材料硬度，換算材料強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。檢測材料成分，其配比符合要求。對(duì)開裂上片金相觀察，金相組織為鐵素體+少量珠光體+碳化物組成，組織無異常，部分小顆粒略微偏大;塔架上片金相組織為鐵素體+珠光體組成，組織無異常。開裂處正好處于分段焊縫的起弧和收弧位置，對(duì)焊縫質(zhì)量的控制難度較大。

CAE分析分別從強(qiáng)度和疲勞兩方面考慮。用最惡劣的單側(cè)過深坑工況進(jìn)行分析，焊縫開裂處應(yīng)力329MPa，材料屈服強(qiáng)度380MPa，安全系數(shù)1.16，符合設(shè)計(jì)要求。疲勞強(qiáng)度（在開裂對(duì)應(yīng)的縱向力試驗(yàn)載荷）只有最小壽命0.6倍，無法滿足要求。開裂點(diǎn)焊縫位置處于支架與主體上片的搭接處，是結(jié)構(gòu)突變處過渡區(qū)，此處是應(yīng)力集中明顯的主要區(qū)域。如果制造質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)，疊加應(yīng)力集中效應(yīng)，便可能出現(xiàn)開裂情況。因此設(shè)計(jì)上應(yīng)該考慮更大富余，從設(shè)計(jì)源頭增加零件的可靠性。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

副車架是一個(gè)主要底盤結(jié)構(gòu)件，首先要滿足剛度、模態(tài)、強(qiáng)度等指標(biāo)。其次輕量化也是主要考慮因素之一，因此要求結(jié)構(gòu)盡量簡單，零件數(shù)量少，焊縫設(shè)計(jì)合理，制造工藝性好。另外，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的副車架優(yōu)化，還要考慮少增加零件和模具的開發(fā)，降低模具開發(fā)費(fèi)用和工裝費(fèi)用。

在本案例中，優(yōu)先考慮優(yōu)化焊縫設(shè)計(jì)。其次考慮子零件小改，以便修模能做出零件。結(jié)合CAE分析和試驗(yàn)確定方案。盡量少開新模具，達(dá)到成本最優(yōu)。

3.1 本案例優(yōu)化方案主要從以下方面開展：

（1）優(yōu)化塔架上片結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力集中

對(duì)于結(jié)構(gòu)件而言，突變結(jié)構(gòu)尤其是支架根部通常是應(yīng)力集中區(qū)，此處有關(guān)鍵焊縫制造因素可能帶來的材料組織改變因素疊加，考慮加強(qiáng)支架根部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。原方案塔架上片與本體上片結(jié)合處過渡太?。◤母康竭吘?mm，圖4），新結(jié)構(gòu)延長過渡區(qū)域（從根部到邊緣20mm，圖5），減緩應(yīng)力集中。在副車架中本體上下片之間的縱加強(qiáng)板，其對(duì)應(yīng)承接塔架過渡區(qū)的部分增加凸起型面進(jìn)行支撐。