純電動(dòng)汽車前副車架開裂失效分析

詹士成 周釗 袁寶文 彭文歡

摘 ?要：針對(duì)某純電動(dòng)汽車前副車架在整車惡路耐久和臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)中擺臂安裝區(qū)域出現(xiàn)兩處鈑金開裂問(wèn)題，基于對(duì)斷口材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、宏觀形貌、微觀形貌等分析，最終確定了副車架開裂的失效模式，其中一處開裂為疲勞斷裂，另一處為延性斷裂，并且推斷出兩處開裂的形成存在一定邏輯關(guān)系。通過(guò)對(duì)疲勞斷裂處的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和CAE分析，最終改進(jìn)樣件順利通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)，證明了斷口分析在解決副車架失效問(wèn)題中的重要性。

關(guān)鍵詞：斷口分析；副車架；臺(tái)架試驗(yàn)；耐久開裂；純電動(dòng)

中圖分類號(hào)：U463.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2023）04-0064-04

Failure Analysis of Cracking in Front Sub-frame of Pure Electric Vehicle

ZHAN Shi-cheng， ZHOU Zhao， YUAN Bao-wen， PENG Wen-huan

（ Dongfeng Honda Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China）

Abstract： To solve sheet metal cracks of front sub-frame at swing arm installation section for a pure electric vehicle during the durability of vehicle harsh-road test and part bench test， the failure mode is finally determined based on the material analysis of chemical composition， mechanical properties， macroscopic morphology and microscopic morphology. One crack is fatigue cracking， and the other is plastic cracking. It is inferred that there is a certain logical relationship between the formation of the two cracks. Through structural optimization and CAE analysis of the fatigue cracking section， the improved sample successfully passed the sub-frame durability test and vehicle harsh-road endurance， and the importance of fracture analysis in solving sub-frame failure problem was also demonstrated.

Key Words： Fracture Analysis; Sub-Frame; Bench Test; Durable Cracking; Electric Vehicle

汽車副車架不僅能夠衰減動(dòng)力總成、路面?zhèn)鬟f到車身的振動(dòng)，而且對(duì)于車身、懸架具有支撐作用，因此它的可靠性也直接關(guān)系著整車耐久、安全和舒適等性能[1-3]。與傳統(tǒng)的燃油車相比，純電動(dòng)汽車副車架具有以下特點(diǎn)：（1）由于電動(dòng)車車重更大，副車架需要承受更大載荷；（2）電機(jī)總成通過(guò)懸置直接安裝在副車架上，副車架需要承受電機(jī)的高扭矩輸出。因此，純電動(dòng)汽車副車架的耐久性能要求更高。

圖1 前副車架開裂的位置

某款純電動(dòng)車型在整車惡路耐久試驗(yàn)行駛至4300km發(fā)現(xiàn)前副車架擺臂安裝區(qū)域的鈑金開裂，此外在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行單品疲勞耐久的副車架在完成一倍壽命循環(huán)后，擺臂安裝區(qū)域的鈑金也發(fā)現(xiàn)開裂，并且開裂位置與整車惡路耐久的位置一致，如圖1所示。由于黑色漆面影響視覺，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果萌生微小裂紋非常難以發(fā)現(xiàn)，因此通常在完成耐久試驗(yàn)后通過(guò)著色滲透探傷法觀察表面開裂情況[4-6]。由圖可知，副車架鈑金開裂位置總共有兩處：位置1位于副車架上板的翻邊處，裂紋長(zhǎng)度為12.4mm；位置2位于副車架下板翻邊處，裂紋長(zhǎng)度為9.57mm。

1 ? ?失效分析

斷口是零件在試驗(yàn)或使用過(guò)程中斷裂后所形成的相互匹配的表面。斷口分析是通過(guò)對(duì)零件斷口的材質(zhì)、形貌、性質(zhì)等分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷裂類型、斷裂方式的判斷和推論的技術(shù)。斷口分析由于具有實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、快捷度高等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、機(jī)械等相關(guān)行業(yè)[7-8]。

1.1 ? 化學(xué)成分

前副車架的材料采用高強(qiáng)度鋼，材料牌號(hào)為JSH590R（日本標(biāo)準(zhǔn)JFS A1001），板材厚度為1.8mm。表2為副車架斷口處材料樣品的化學(xué)成分分析，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，樣品材料中的P、S、C、Si、Mn、Al等化學(xué)元素的成分含量均滿足JSH590R材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果合格。

1.2 ? 力學(xué)性能

為了進(jìn)一步了解本次耐久失效副車架上材料的力學(xué)性能，采集斷口附近的材料制作成標(biāo)準(zhǔn)式樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，三件材料樣品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均滿足JSH590R材料的標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果合格。

1.3 ? 宏觀形貌分析

1）位置1斷口

圖2為位置1斷口經(jīng)過(guò)清洗后的宏觀形貌，由圖可知，斷口的材料紋理具有一定的方向性，其中放射狀條紋的匯聚處即為裂紋源，裂紋源是最初發(fā)生開裂的區(qū)域，裂紋由裂紋源向兩側(cè)逐漸擴(kuò)展形成。根據(jù)斷口的形貌特點(diǎn)，可以基本將斷口分成三個(gè)區(qū)域，即裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和快速斷裂區(qū)，該斷面特征非常符合疲勞斷裂的特征[7]，因此位置1斷口屬于疲勞斷裂。

2）位置2斷口

圖3為位置2斷口經(jīng)過(guò)清洗后的宏觀形貌，由圖可知，經(jīng)過(guò)清洗后的斷口呈棕黑色，表面材料大部分被氧化，材料紋理在一定程度上呈現(xiàn)受擠壓而塑性變形的抹平狀態(tài)。此外，材料紋理比較粗糙、部分呈現(xiàn)雜亂纖維狀，整體形貌沒(méi)有明顯的區(qū)域區(qū)分，該斷面特征非常符合延性斷裂的特征[8]，因此位置2斷口屬于延性斷裂。

1.4 ? 微觀形貌分析

1）位置1斷口

圖4為通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)位置1斷口的裂紋源在不同放大倍數(shù)下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在200X的電鏡下觀察疲勞源區(qū)，斷面上有一處明顯因斷裂而形成的臺(tái)階，該臺(tái)階即為裂紋最早萌生的位置；在500X的電鏡下觀察疲勞源區(qū)，斷面上的材料組織細(xì)小而粗糙；在1000X的電鏡下觀察疲勞源區(qū)，斷面上的材料組織存在較多的二次裂紋和少量的摩擦痕跡。

圖5為通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)位置1斷口的疲勞擴(kuò)展區(qū)在不同放大倍數(shù)下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在500X的電鏡下觀察疲勞擴(kuò)展區(qū)，斷面形貌整體比較平坦；在1000X的電鏡下觀察疲勞擴(kuò)展區(qū)，斷面上存在明顯的疲勞輝紋（或疲勞條帶），呈海灘花樣；在10000X的電鏡下觀察疲勞擴(kuò)展區(qū)，斷面上的材料組織存在非常多的二次裂紋。

圖6為通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)位置1斷口的快速斷裂區(qū)在不同放大倍數(shù)下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在500X的電鏡下觀察快速斷裂區(qū)，該區(qū)域應(yīng)該存在較多的韌窩，然而在SEM圖片上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。這是因?yàn)榭焖贁嗔褏^(qū)在形成后，兩側(cè)的材料并沒(méi)有完全斷開、不接觸，繼續(xù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)此區(qū)域兩邊材料會(huì)相互擠壓發(fā)生塑性變形，最終導(dǎo)致此處的韌窩特征被抹平。在10000X的電鏡下觀察快速斷裂區(qū)，斷面上的材料組織粗糙且塑性變形明顯，這也是因?yàn)閿嗫趦蛇叢牧舷嗷D壓而塑性變形導(dǎo)致的。

2）位置2斷口

圖7為通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)位置2斷口多處區(qū)域在不同放大倍數(shù)下拍攝的微觀形貌，由圖可知，在100X的電鏡下，斷面形貌整體比較平坦，材料紋理比較粗糙，部分呈現(xiàn)纖維狀和因塑性變形的滑移痕跡；在500X的電鏡下，斷面形貌整體比較平滑，沒(méi)有明顯的韌窩特征。這是因?yàn)樵摂嗫跒檠有詳嗔?，在裂紋形成以后，兩側(cè)的材料并沒(méi)有完全斷開、不接觸，繼續(xù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)此區(qū)域兩邊材料會(huì)相互擠壓發(fā)生塑性變形，最終導(dǎo)致此處的韌窩特征被抹平。

2 ? ?分析與討論

通過(guò)對(duì)副車架斷口的成分分析、力學(xué)性能分析可知，副車架材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足JSH590R的材料標(biāo)準(zhǔn)要求，因此可以排除材質(zhì)因素對(duì)副車架耐久開裂的影響。

通過(guò)對(duì)副車架斷口的宏觀形貌分析、微觀形貌分析可知，位置1的失效模式為疲勞斷裂，斷口位置2的失效模式為延性斷裂。

前副車架的上下板是副車架的主體，兩者之間扣合后焊接為一體，擺臂安裝點(diǎn)是副車架主要的受力點(diǎn)，上下鈑金共同承受并分擔(dān)擺臂處的載荷，當(dāng)某一側(cè)鈑金發(fā)生失效，必然導(dǎo)致另一側(cè)板的受力增大。根據(jù)斷口失效模式可以推測(cè)，位置2斷口是在位置1斷口形成一段時(shí)間以后的產(chǎn)生的，并且位置2的開裂發(fā)生是由位置1開裂引起的。這是因?yàn)槲恢?發(fā)生開裂后導(dǎo)致下板的變形增大而承受的分力減小，當(dāng)位置1裂紋擴(kuò)展到一定程度后引起上板承受的分力顯著增大，最終促使上板發(fā)生延性斷裂，形成位置2斷口。

因此，該副車架的整體失效模式為疲勞斷裂，并且引起失效的主要原因是擺臂安裝區(qū)域位置1的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加強(qiáng)。

3 ? ?優(yōu)化與驗(yàn)證

該副車架下板擺臂處的結(jié)構(gòu)如圖8中的（a）所示，整車惡路耐久和臺(tái)架耐久試驗(yàn)中副車架均是此狀態(tài)。由圖可知，位置1的翻邊結(jié)構(gòu)在過(guò)渡時(shí)存在由外翻逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)翻的情況，這種型面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且容易存在應(yīng)力集中。經(jīng)過(guò)多種方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和CAE驗(yàn)證，最終決定將位置1處的外翻邊改為內(nèi)翻邊，如圖8中（b）所示，通過(guò)簡(jiǎn)化型面過(guò)渡實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力值、改善應(yīng)力分布的目的，從而提高疲勞性能。

據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對(duì)副車架模具進(jìn)行修模，優(yōu)化后樣件在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上按照表3中的耐久條件重新進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)12.1萬(wàn)次時(shí)，副車架上位置1、2處的鈑金未發(fā)生開裂，其余部分的鈑金和焊縫也均未發(fā)生開裂，滿足設(shè)計(jì)要求；繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)至24.2萬(wàn)次，副車架上位置1、2處的鈑金仍未發(fā)生開裂，其余部分的鈑金和焊縫同樣也均未發(fā)生開裂。此外，整車惡路耐久重新試驗(yàn)后，副車架亦無(wú)開裂問(wèn)題。

3 ? ?結(jié)論與建議

1）針對(duì)金屬件的開裂問(wèn)題，可以利用斷口分析技術(shù)確定斷裂的斷裂類型、斷裂方式，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。本文中副車架斷口位置1的失效模式為疲勞斷裂，斷口位置2的失效模式為延性斷裂。

2）在金屬件的開裂問(wèn)題中，如果存在多個(gè)開裂區(qū)域，應(yīng)當(dāng)充分根據(jù)斷口分析技術(shù)推測(cè)各處斷口開裂的先后順序和關(guān)系，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供更為精準(zhǔn)的方向。本文中副車架擺臂安裝區(qū)域存在兩處開裂，通過(guò)斷口分析推斷位置2的開裂發(fā)生是由位置1開裂引起的，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)是位置1。

3）疲勞斷口的快速斷裂區(qū)或延性斷口的斷面區(qū)域，通常會(huì)存在大量的韌窩特征。本文中兩處區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩特征，因?yàn)楦避嚰茆k金尺寸較大，在裂紋形成以后，兩側(cè)的材料沒(méi)有完全斷開，繼續(xù)試驗(yàn)時(shí)斷口兩邊材料會(huì)相互擠壓而發(fā)生二次塑性變形，最終導(dǎo)致此處的韌窩特征被抹平。

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