某車型扭轉(zhuǎn)梁后橋疲勞問題優(yōu)化

王圓,耿彪旗

(本特勒投資(中國(guó))有限公司，上海 201800)

0 引言

扭轉(zhuǎn)梁式懸架由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于拆裝、占用空間小、非簧載質(zhì)量小、乘坐舒適性好、可兼起橫向穩(wěn)定桿的作用等優(yōu)點(diǎn)，在中低端轎車中得到廣泛應(yīng)用[1]。扭轉(zhuǎn)梁后懸架一般包括車身鏈接支架、扭轉(zhuǎn)梁后橋、彈簧、減震器等零件，扭轉(zhuǎn)梁后橋又包含橫梁、襯套套管、縱向擺臂、彈簧盤和減震器支架，如圖1所示。相比于多連桿懸架的副車架，多個(gè)連桿和襯套、穩(wěn)定桿以及轉(zhuǎn)向節(jié)等結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)梁式懸架的結(jié)構(gòu)和零件簡(jiǎn)單很多，成本也同樣下降很多，因此對(duì)于追求低成本的經(jīng)濟(jì)型轎車是不二的選擇。與多連桿式后獨(dú)立懸架相比，扭轉(zhuǎn)梁式后橋系統(tǒng)在傳力和受力狀況方面更為惡劣和嚴(yán)苛，扭轉(zhuǎn)梁將同時(shí)承受來自車輪、彈簧、減震器、車身等零部件的力和力矩[2]。后扭轉(zhuǎn)梁是關(guān)系整車性能和安全的一個(gè)關(guān)鍵零件，不僅需滿足整車K&C性能要求[3]，而且需滿足整車使用壽命要求。而在設(shè)計(jì)開發(fā)及試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)不同位置的疲勞失效開裂，且往往較難短時(shí)間優(yōu)化成功。疲勞壽命相關(guān)的開發(fā)工作也是扭轉(zhuǎn)梁式懸架的難點(diǎn)之一。

圖1 典型扭轉(zhuǎn)梁后懸架結(jié)構(gòu)

扭轉(zhuǎn)梁后橋關(guān)于疲勞的常規(guī)開發(fā)流程為：得到虛擬路譜或者靜態(tài)載荷后，結(jié)合剛度和柔度的目標(biāo)要求進(jìn)行初步后橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于后橋騾車采集路譜;路譜采集后根據(jù)采集的路譜信息結(jié)合疲勞目標(biāo)(各工況循環(huán)次數(shù))及可靠性目標(biāo)要求進(jìn)行DV設(shè)計(jì)優(yōu)化及相應(yīng)單通道試驗(yàn)的設(shè)計(jì);之后進(jìn)行DV的單通道和多通道試驗(yàn)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足載荷疲勞目標(biāo)要求以及單通道和多通道試驗(yàn)之間的相關(guān)性，最終進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)確認(rèn)。之后的開發(fā)過程中，如果結(jié)構(gòu)沒有顯著的變化，遇到設(shè)計(jì)變更時(shí)可進(jìn)行CAE對(duì)比，以及高風(fēng)險(xiǎn)的單通道試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)變更的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。以此保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，并節(jié)約開發(fā)時(shí)間和成本。

為滿足節(jié)能與環(huán)保的要求，汽車輕量化已成為汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4]。文中涉及的扭轉(zhuǎn)梁后橋?yàn)楣鹃_發(fā)的變截面閉口梁設(shè)計(jì)(圖2)，與同級(jí)別開口梁設(shè)計(jì)相比質(zhì)量顯著降低。同時(shí)相比于U形開口梁帶加強(qiáng)版的設(shè)計(jì)，該閉口梁本體有著較好的疲勞性能。本文作者針對(duì)某車型扭轉(zhuǎn)梁后橋多通道后懸架試驗(yàn)開裂的問題進(jìn)行了相應(yīng)的分析，找到了對(duì)應(yīng)失效模式的單通道試驗(yàn)。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化并驗(yàn)證單通道試驗(yàn)結(jié)果有明顯提升后進(jìn)行了多通道試驗(yàn)驗(yàn)證，最終滿足了后懸架的試驗(yàn)要求。

圖2 扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)

1 后懸架12通道試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)梁后橋開裂問題描述

某車型在進(jìn)行后懸架12通道試驗(yàn)過程中，在運(yùn)行到162%壽命時(shí)，發(fā)現(xiàn)彈簧盤和橫梁連接的幾個(gè)位置均出現(xiàn)開裂并擴(kuò)展到橫梁，且裂紋較長(zhǎng)(約130 mm)，如圖3所示。由于裂紋較長(zhǎng)，繼續(xù)試驗(yàn)極易出現(xiàn)斷裂和試驗(yàn)事故，故判斷該零件狀態(tài)無法滿足100%壽命不開裂、200%不失去功能的要求，需進(jìn)行進(jìn)一步的失效分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖3 多通道試驗(yàn)開裂零件

2 疲勞開裂原因分析

針對(duì)后扭轉(zhuǎn)梁疲勞開裂的問題,首先對(duì)開裂零件進(jìn)行失效分析，分析零件裂紋的萌生位置和開裂原因。圖3中P1與P2位置(失效模式命名為FM1)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有焊瘤，裂紋從零件內(nèi)側(cè)(焊瘤存在的一側(cè))萌生并擴(kuò)展，為疲勞裂紋，未見其他焊接缺陷；P3與P4處(失效模式命名為FM2)未見焊接缺陷，裂紋由外部向內(nèi)部萌生，為常規(guī)疲勞裂紋，如圖4所示。

圖4 裂紋微觀分析

搜集整理后發(fā)現(xiàn)，其他兩個(gè)單通道試驗(yàn)也有類似的疲勞失效，其中異向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中370%壽命時(shí)出現(xiàn)失效FM1(圖5)，縱向力試驗(yàn)中250%左右壽命時(shí)出現(xiàn)失效FM2(圖6)。經(jīng)過對(duì)零部件進(jìn)行失效分析，異向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)FM1與多通道試驗(yàn)FM1失效形式一致(圖7)；縱向力試驗(yàn)FM2與多通道的試驗(yàn)FM2失效形式一致(圖8)。因此單通道試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)了多通道的失效模式。

圖5 異向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)失效

圖6 縱向力試驗(yàn)失效

圖7 異向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)裂紋分析

圖8 縱向力試驗(yàn)裂紋分析

3 問題優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案

常規(guī)優(yōu)化思路為通過CAE對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行基于路譜載荷的優(yōu)化，同時(shí)確認(rèn)對(duì)應(yīng)單通道載荷的相同熱點(diǎn)位置是否有了同樣的壽命提升。隨后進(jìn)行單通道試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)符合設(shè)計(jì)意圖后進(jìn)行多通道試驗(yàn)。但該項(xiàng)目中主機(jī)廠由于保密等因素未能分享路譜載荷，故設(shè)計(jì)優(yōu)化思路為提高FM1在異向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的壽命以及提高FM2在縱向力試驗(yàn)中的壽命。經(jīng)過多輪虛擬設(shè)計(jì)優(yōu)化，并考慮工藝性等因素，對(duì)彈簧盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖9中灰色為優(yōu)化后，考慮由于工藝的問題造成的焊瘤，焊接分段并從兩端向中間焊接(圖10)。

圖9 彈簧盤優(yōu)化對(duì)比

圖10 焊接優(yōu)化

優(yōu)化后異向扭轉(zhuǎn)FM1處的疲勞壽命由446%增長(zhǎng)到576%，增長(zhǎng)約30%，如圖11所示。

優(yōu)化后縱向力試驗(yàn)FM2處的疲勞壽命有所降低，優(yōu)化前壽命較高，未顯示具體數(shù)值，優(yōu)化后壽命為768%(圖12)。根據(jù)其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，該處位置試驗(yàn)結(jié)果與CAE相關(guān)性不明顯，優(yōu)化的方向?yàn)楸３謴椈杀P的焊縫盡量遠(yuǎn)離橫梁與懸架臂的焊縫，并保持較高壽命。

對(duì)優(yōu)化后的方案確認(rèn)后進(jìn)行了兩個(gè)試驗(yàn)的單通道試驗(yàn)驗(yàn)證，異向扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中430%其他位置開裂，且試驗(yàn)壽命較高，符合優(yōu)化預(yù)期。縱向力試驗(yàn)中540%FM2處開裂(圖13)，試驗(yàn)壽命是原來的約2.2倍，也符合設(shè)計(jì)優(yōu)化的預(yù)期?？蓪?yōu)化后的設(shè)計(jì)進(jìn)行多通道試驗(yàn)驗(yàn)證以最終確認(rèn)優(yōu)化效果。

圖13 優(yōu)化后縱向力試驗(yàn)失效模式

3.2 優(yōu)化后設(shè)計(jì)的后懸架多通道試驗(yàn)驗(yàn)證

在單通道載荷復(fù)現(xiàn)多通道失效模式并通過優(yōu)化提高了單通道試驗(yàn)相關(guān)熱點(diǎn)壽命的情況下，用優(yōu)化后的零件做新的后懸架多通道試驗(yàn)，試驗(yàn)直至230%未發(fā)現(xiàn)開裂，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)滿足后懸架多通道試驗(yàn)要求。相關(guān)工況的試驗(yàn)和CAE的狀況見表1。從表中可以明顯看出，在對(duì)應(yīng)的單通道試驗(yàn)壽命有明顯優(yōu)化的情況下，多通道試驗(yàn)也有著類似的優(yōu)化結(jié)果。

表1 優(yōu)化前后相關(guān)工況試驗(yàn)和CAE仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車扭轉(zhuǎn)梁后橋作為重要的懸架結(jié)構(gòu)件，通常對(duì)于疲勞的要求極高。尤其對(duì)于一些關(guān)鍵焊縫和橫梁相關(guān)的結(jié)構(gòu)，如果開裂甚至斷裂，會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。由于其受力極其復(fù)雜(所有后懸架相關(guān)的載荷都通過這一個(gè)焊接總成件傳遞)，在耐久工況中往往需平衡各工況的壽命。

文中所研究的后扭轉(zhuǎn)梁發(fā)生了疲勞開裂問題，通過對(duì)失效零件和單通道載荷的類似失效模式進(jìn)行分析，找到了優(yōu)化方向并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終解決了疲勞問題。單通道試驗(yàn)相比與多通道試驗(yàn)有著時(shí)間短、成本低、搭建簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段與多通道建立起良好的失效對(duì)照關(guān)系，對(duì)于后期可能有的設(shè)計(jì)變更的驗(yàn)證有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。可以減少后期變更的驗(yàn)證時(shí)間及費(fèi)用，同時(shí)并沒有帶來更高的風(fēng)險(xiǎn)。