某車型發(fā)動機(jī)懸置支架開裂分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李立波，白龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型發(fā)動機(jī)懸置支架開裂分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李立波，白龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對某車型懸置支架在道路試驗(yàn)中失效的現(xiàn)象，提出了有效的解決方案。應(yīng)用有限元方法對發(fā)動機(jī)懸置支架進(jìn)行分析；根據(jù)分析結(jié)果，對支架結(jié)構(gòu)、材料以及焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)合臺架試驗(yàn)和道路可靠性試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

發(fā)動機(jī)懸置支架；強(qiáng)度分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-59-04

前言

動力總成是汽車的主要激振源之一，懸置系統(tǒng)零部件的性能和可靠性設(shè)計(jì)直接影響懸置系統(tǒng)的隔振率及系統(tǒng)可靠性；懸置支架是動力總成懸置系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件之一，起到支撐動力總成、連接減震部件、傳遞震動載荷的功能。由于車輛運(yùn)動工況及路況的復(fù)雜性，對于目前懸置系統(tǒng)支架的可靠性開發(fā)，主要通過臺架及強(qiáng)化道路的可靠性驗(yàn)證進(jìn)行設(shè)計(jì)確認(rèn)。

針對某車型懸置支架在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的開裂問題，經(jīng)過確認(rèn)，支架材料為DC04，在道路試過程中出現(xiàn)開裂失效，為了確定懸置支架的開裂原因，對支架的工作工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、臺架拉壓試驗(yàn)、CAE強(qiáng)度分析、焊點(diǎn)撕裂試驗(yàn)；本文針對以上分析及試驗(yàn)完成懸置支架失效的原因分析及優(yōu)化，解決懸置支架開裂問題，為懸置支架開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

1、動力總成懸置支架開裂失效模式

根據(jù)道路可靠性驗(yàn)證，在試驗(yàn)過程中懸置支架在道路試驗(yàn)15萬公里時(shí)連續(xù)出現(xiàn)開裂，具體如下：失效模式一出現(xiàn)在支架第一排螺栓孔，開裂失效從安裝孔開始，向支架邊緣開裂(孔邊緣距支架邊緣有6mm)；失效模式二出現(xiàn)在支架三面折彎處。

2、懸置支架應(yīng)力數(shù)據(jù)采集

針對動力總成懸置支架產(chǎn)生開裂失效模式的工況，在左右懸置支架上分別布置傳感器，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，確認(rèn)在道路試驗(yàn)過程中懸置支架各個(gè)點(diǎn)所承受的應(yīng)力應(yīng)變。單側(cè)支架選取9個(gè)采集點(diǎn)，共選取18個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)；完成5輪最大拉壓應(yīng)變、應(yīng)變幅數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最大應(yīng)力發(fā)生在8號數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，最大應(yīng)力1017μm/m，為壓應(yīng)變。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出，最大應(yīng)變發(fā)生在8號點(diǎn)，最大壓應(yīng)變?yōu)?1047μm/m，按照鋼材的普遍彈性模量210GPa，應(yīng)力數(shù)值為219MPa；懸置支架的材料為DC04，屈服極限165MPa，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3、懸置支架應(yīng)力數(shù)據(jù)采集

為進(jìn)一步分析懸置支架的受力情況，進(jìn)行動力總成質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量測量、懸置坐標(biāo)、非線性剛度曲線采集以及10工況的載荷提取。

根據(jù)以上總成質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量測量、懸置點(diǎn)坐標(biāo)、非線性剛度曲線采集以及10工況載荷提取，完成左右懸置10工況載荷提取，提取數(shù)據(jù)如表4。

在提取左右懸置10工況載荷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行CAE分析，確認(rèn)設(shè)計(jì)狀態(tài)懸置支架的強(qiáng)度是否滿足可靠性要求；模型建立及材料屬性如下；

根據(jù)CAE分析，在10工況下，左右懸置均存在應(yīng)力過大的風(fēng)險(xiǎn)，左支架有6個(gè)工況的安全系數(shù)小于1，右支架有3個(gè)工況的安全系數(shù)小于1；其中在工況7狀態(tài)下，左支架應(yīng)力最大508.3MPa，安全系數(shù)0.32，遠(yuǎn)小于安全系數(shù)1.2的要求。

CAE分析結(jié)果顯示應(yīng)力最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與試驗(yàn)應(yīng)力采集最大點(diǎn)一致，在8號采集點(diǎn)；工況7狀態(tài)下安全系數(shù)遠(yuǎn)不能滿足可靠性要求。

4、懸置支架故障件焊接狀態(tài)分析

根據(jù)CAE分析及道路應(yīng)力采集，失效模式二開裂故障點(diǎn)與分析結(jié)果相同；螺栓孔附近失效模式二不存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，為進(jìn)一步確認(rèn)故障失效原因，對失效故障件進(jìn)行撕裂試驗(yàn)及焊點(diǎn)分析。

焊接設(shè)計(jì)要求為6個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)直徑φ6mm，經(jīng)對故障件焊點(diǎn)分析：6個(gè)焊點(diǎn)有2個(gè)焊點(diǎn)為假焊（焊透性差）；產(chǎn)生的主要原因是焊接時(shí)間和焊接加壓時(shí)間短，使兩層板之間熔化溫度保持時(shí)間短，來不及完全熔接，從而降了低焊點(diǎn)連接強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，焊接設(shè)備采用DN2-100座式點(diǎn)焊機(jī)。

針對故障件，焊點(diǎn)分析如下：

為驗(yàn)證焊接方式對焊點(diǎn)的影響，采用三組焊點(diǎn)撕裂試片（前懸置支架試片DC04三條：30X300X2)分別在DN2-100座式點(diǎn)焊機(jī)、懸掛焊機(jī)一次點(diǎn)焊鉗和二次點(diǎn)焊鉗上進(jìn)行點(diǎn)焊連接試驗(yàn)。

試片焊點(diǎn)撕裂情況：

（1）座式點(diǎn)焊機(jī)試片：

焊點(diǎn)直徑達(dá)到φ6mm、焊點(diǎn)撕裂有效熔合面為φ6mm，焊接電流為3500A、焊接時(shí)間為12（Cy）、加壓時(shí)間為16（Cy）。

（2）一次點(diǎn)焊鉗試片：

焊點(diǎn)直徑達(dá)到了φ6mm、焊點(diǎn)撕裂有效熔合面為φ 6mm，焊接電流為11000A、焊接時(shí)間為12（Cy）、加壓時(shí)間為16（Cy）。

（3）二次點(diǎn)焊鉗試片：

焊點(diǎn)直徑達(dá)到了φ7mm、焊點(diǎn)撕裂有效熔合面為φ 7mm，焊接電流為11000A、焊接時(shí)間為12（Cy）、加壓時(shí)間為16（Cy）。

根據(jù)試片焊接對比分析，同等焊接參數(shù)：座式點(diǎn)焊機(jī)點(diǎn)焊、懸掛焊機(jī)一次焊鉗和二次焊鉗的點(diǎn)焊效果相同，區(qū)別在于懸掛焊機(jī)的焊接時(shí)間和焊接加壓時(shí)間為設(shè)定后自動控制，對批量點(diǎn)焊參數(shù)一致性保持可靠。座式點(diǎn)焊機(jī)的焊接時(shí)間和加壓時(shí)間的長短設(shè)定后，需要人為控制，批量生產(chǎn)時(shí)相對懸掛焊機(jī)操控穩(wěn)定性差。

5、優(yōu)化及整改驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，懸置支架失效的主要原因是焊接未到位產(chǎn)生虛焊以及支架本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致；針對懸置支架開裂失效模式的兩個(gè)原因，開展優(yōu)化分析：

1.調(diào)整焊接工藝，由座式點(diǎn)焊機(jī)調(diào)整為一次點(diǎn)焊鉗；

2.優(yōu)化懸置支架結(jié)構(gòu)和材料，提升支架強(qiáng)度；材料由DC04優(yōu)化為SAPH440，在應(yīng)力最大處增加加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖8。

對于優(yōu)化后的懸置支架，開展工況7狀態(tài)下CAE分析，安全系數(shù)提升到1.3，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；制做樣件，開展臺架試驗(yàn)，按照±2.5G加載，完成100萬次臺架可靠性試驗(yàn)，未產(chǎn)生開裂失效。完成兩輪整車道路試驗(yàn)，折合20萬公里，懸置支架未產(chǎn)生開裂失效。

6、結(jié)論

通過以上有限元CAE理論分析，結(jié)合焊接試驗(yàn)，確認(rèn)導(dǎo)致裂懸置支架開裂失效的主要原因是支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊接工藝不滿足設(shè)計(jì)要求。

針對失效模式產(chǎn)生的原因，優(yōu)化懸置支架結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和焊接結(jié)構(gòu)，整改后的懸置支架安全系數(shù)達(dá)到1.3；經(jīng)過臺架試驗(yàn)及道路試驗(yàn)驗(yàn)證，有效的解決了支架失效。

[1] 孫靖民，梁迎春．機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

[2] 龐劍，諶剛，何華．汽車噪聲與振動一理論與應(yīng)用．北京：北京理工大學(xué)出版社，2006．

[3] 潘孝勇，柴國鐘，劉飛，等．懸置支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)與疲勞壽命分析[J]．汽車工程，2007，29(4)：341-345．

由上表可以看出，即使是使用相同估計(jì)的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，使用不同的模態(tài)估計(jì)算法，也會導(dǎo)致不同的結(jié)果。POLYMAX算法MPC計(jì)算值高于LSCE算法，POLYMAX算法估計(jì)模態(tài)可靠性更高。

4.2 仿真誤差分析

仿真分析中誤差首先是模態(tài)結(jié)構(gòu)模型的誤差。模態(tài)分析中的結(jié)構(gòu)模型取的是線性數(shù)學(xué)模型，忽略了一些非線性因素對實(shí)際結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在的這些不確定非線性因素，在現(xiàn)有的線性模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型中是不可能消除的。

其次就是模型離散化帶來的誤差。離散化精度與網(wǎng)格大小有關(guān)，網(wǎng)格越密集，自由度越多，精度越高。但網(wǎng)格密集后，計(jì)算效率就降低，工程中需要權(quán)衡計(jì)算精度與計(jì)算效率之間的利與弊。

再次是建模誤差，有限元模型中的物理參數(shù)（密度、彈性模量、泊松比）不可能完全跟實(shí)際情況吻合，這之中必增大了分析結(jié)果與實(shí)際模型的誤差。焊點(diǎn)的模擬誤差，焊點(diǎn)采用ACM和CWELD方式模擬計(jì)算得到的模態(tài)頻率值不一。

上表可以看出，使用ACM單元模擬焊點(diǎn)計(jì)算模態(tài)頻率高于CWELD單元模擬焊點(diǎn)，CWELD焊點(diǎn)模擬剛度偏弱，這之中必定存在對計(jì)算結(jié)果影響的誤差。

5、結(jié)論

模態(tài)分析誤差實(shí)屬正常，無論是試驗(yàn)?zāi)B(tài)還是仿真模態(tài)。在兩者不太吻合的時(shí)候，工程師需理性的分析其差別產(chǎn)生的原因。

參考文獻(xiàn)

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Analysis and Optimization design of engine mounting bracket

Li Libo, Bai Long
（Anhui JiangHuai automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

Aiming at the failure ofengine mount bracket of a model of truck,effective solutions is put forward. According to CAE analysis of structure designand welding technics,the structure, material and welding technics are optimized. The reliability test results showed that the optimized engine mounting bracket was accorded to design.

engine mountingbracket; strength analysis; Optimal design

U467.2

A

1671-7988(2015)06-59-04

李立波，安徽江淮汽車股份有限公司工程師。