夏朋朋，柴鹏举

某车型气喇叭支架断裂原因分析及优化

夏朋朋，柴鹏举

（大运汽车股份有限公司，山西 运城 044000）

文章基于某车型市场出现气喇叭支架断裂失效问题。针对出现的气喇叭支架断裂问题，从钣金支架开裂的因素进行深入分析。通过使用计算机辅助工程（CAE）进行强度分析、模态分析、台架试验等手段，确定问题根本原因进行优化，并对改进结构进行台架振动试验验证，最终达到使用要求，彻底杜绝断裂风险。文章主要对断裂因素及验证方法进行概述，为后续类似问题优化及验证积累经验。

气喇叭支架断裂；台架试验；结构优化

白车身是一个复杂的组合体，也是整车电器、内饰、外饰、附件等零件的载体，各种零件因空间、布置等多方面因素影响，导致安装方式及支架结构各不相同。某车型气喇叭使用L形结构焊接在车身纵梁侧面位置，市场部分区域零星出现气喇叭支架断裂故障，为彻底杜绝该问题，对气喇叭支架断裂故障深入分析，分别从材料性能、加工工艺、结构强度、结构模态、疲劳等方面进行分析，通过多轮理论计算及台架耐久试验验证，确认本次开裂根本原因，经过对该结构重新优化、并进行台架试验，最终确定最优可靠性方案，从根本上杜绝该问题。

1 气喇叭支架断裂现象及原因分析

该车型气喇叭布置与地板纵梁侧面，部分区域市场零星反馈气喇叭支架断裂故障，通过对故障模式进行统计，断裂位置全部位于L型支架折弯位置，故障现象如图1所示。为彻底杜绝类似问题，分别从喇叭支架零件的原材料、加工工艺、结构强度、模态、疲劳等多方面进行排查确定根本原因。

图1 断裂图示

1.1 气喇叭支架材料分析

该气喇叭支架使用冷轧钢板焊接与地板纵梁侧面，材料定义为

牌号：Q/BQB 403-DC01-FB 2.0B；

屈服强度：140～280 MPa；

抗拉强度：≥270 MPa；

断后伸长率：≥34%。

对材料机械性能进行分析试验分析，分析结果完全合格，如表1所示。

表1 力学检测结果

环境温湿度设备试验项目试验要求试验结果 温度:23℃湿度:46%万能试验机拉伸DC01Rm:≥270 MPaRel:(140～280)MPaA:≥34%Rm:345 MPaRel:229MPaA:41%

1.2 气喇叭支架结构强度分析

1.2.1CAE模型

用HyperMesh软件进行网格划分，按照实际装配位置进行模拟。钣金件使用shell单元模拟，焊缝使用RBE3+实体单元进行模拟，分析所用有限元模型如图2所示。其中材料全部使用普通钢板，其材料属性如表2所示。

图2 结构模型

表2 模型材料属性

牌 号弹性模量/(I/GPa)泊松比密度/(kg/m3)屈服/MPa使用位置 Q2352120.2887.9e+3235地板纵梁加强板 DC012120.2887.9e+3195气喇叭支架 SAPH4402120.2887.9e+3320地板纵梁 DC032120.2887.9e+3180前悬左右支架 SPHD2120.2887.9e+3195前悬前后支架

1.2.2载荷与约束

按照驾驶室部分加载条件进行加载，考虑到理论模型与实际可能存在误差，加载条件参考路谱采集的数据进行对比，对各工况加载条件进行适当放大，确定本次加载条件如表3所示。

表3 加载工况

约束描述工况加载描述 地板纵梁与车身和悬架连接处全约束约束模态提取大于1 Hz的一阶模态 垂向冲击垂向(Z)-3g加速度 转向工况横向(Y)0.5g加速度 垂向(Z)-1g加速度 制动工况纵向(X)-1g加速度 垂向(Z)-1g加速度

1.2.3分析结果

对CAE结果进行分析，该结构在各工况条件下，安全系数相对较高，气喇叭支架模态在27.3 Hz，前后摆振动，各工况下，应力整体偏小，不存在应力集中开裂的风险，具体应力云图及模态如表4、图3—图6所示。

表4 分析结果

垂向工况/MPa转向工况/MPa制动工况/MPa 20.58.6526.71

图3 模态振型

图4 制动工况

图5 垂向工况

图6 转向工况

1.3 零件工艺分析

该气喇叭支架存在三个供应商同时供货，对不同厂家的产品零件厚度、角等尺寸进行详细的测量，测量结果满足设计要求，但仔细对比各厂家折弯区域表面质量，存在细微差异，如图7所示。其中一个厂家折弯压痕比较明显，该位置也是本次故障的断裂位置，初步判断可能为加工存在隐裂导致，为验证猜测进行台架试验测试，见下文。

图7 某厂家折弯图示

1.4 台架试验进行模拟验证

分别找到三个厂家零部件，按照同样的台架工况（图8），对三种不同加工状态的样品进行台架试验摸底，台架试验工况及加载条件：随机振动频率10～2 000 Hz；垂直加速度为21.3 m/s2。

图8 台架示意示意图

测试三个厂家零部件均出现断裂，如图9所示，只是断裂的时间存在差异，结果如表5所示。

图9 样件断裂示意图

表5 台架试验结果

描述供应商1供应商2供应商3 样品描述t=2.01折弯处有明显压痕t=2.04折弯处有轻微压痕t=1.97折弯处无压痕 试验结果6.5 h断裂11 h断裂9 h断裂

通过本次横向对比试验结果分析，在材料全部合格情况下，大致规律如下：

1）有压痕板材，振动时间最短；

2）厚度最薄板材，振动时间最短。

通过以上试验结果分析，初步判断引起断裂的两个主要因素：加工表面质量、材料厚度。

2 结构优化及验证

通过以上分析及整理，初步判定断裂的主要因素为成型工艺及材料厚度，本次优化主要从这两方面进行针对性的加强，同时对材料进行提升，优化前后零件参数如表6所示。

表6 更改前后参数对比

状态材料屈服/MPa料厚/mm折弯R角/mm 更改前DC011952.0R3 更改后Q235A2353.0R5

对优化前、后的样件分别按照以上的方式进行理论计算及台架试验验证，理论计算结果全部合格，台架试验进行32 h未出现断裂，台架试验装状态如图10所示。

图10 台架示意装配示意图

经台架试验验证优化后新方案结构可靠，试验结果如表7所示。

表7 优化前后台架试验结果

描述改进前改进后 试验结果6.5 h断裂32 h未断裂

3 小结

通过本次喇叭支架断裂故障优化过程，可以很明显地看出质量问题，往往是多重因素综合导致，不单从材料、结构方面入手，更重要的是从零件的加工工艺方面深入分析。新结构已投入小批使用，累计切换时间已有6个月，统计新状态的支架市场表现，在各区域均未反馈断裂故障。通过对该故障模式的分析与优化，解决了市场问题，同时也为后续类似问题处理提供了指导作用。

[1] 日本标准协会.汽车零部件振动试验方法(中文版): JIS D1601[S].东京:日本标准协会,1995.

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[3] 宝山钢铁股份有限公司.冷连轧低碳钢板及钢带:Q/ BQB 403[S].上海:宝山钢铁股份有限公司,2016.

[4] 尚德广.疲劳强度理论[M].北京:科学出版社,2017.

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[6] 张少实.新编材料力学[M].北京:机械工业出版社,2002.

Fracture Analysis and Optimization of the Air Horn Bracket of a Vehicle

XIA Pengpeng, CHAI Pengju

( Dayun Automobile Company Limited, Yuncheng 044000, China )

In this paper, the fracture failure of the air horn bracket is studied based on a vehicle model market. In view of the rupture problem of the horn bracket, this paper makes a deep analysis from the factors of the rupture of the sheet metal bracket. By using computer aided engineering(CAE) for strength analysis, modal analysis and bench test, the root cause of the problem is determined and optimized, and the improved structure is verified by bench vibration test, and finally the use requirements are met and the risk of fracture is completely eliminated. In this paper, the fracture factors and verification methods are summarized to accumulate experience for optimization and verification of similar problems.

Air horn bracket fracture; Bench test;Structural optimization

U469.72

A

1671-7988(2023)10-193-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.039

夏朋朋（1984—），男，工程师，研究方向为白车身及附件，E-mail: 729108087@qq.com。