尹辉俊，姜美姣

(广西科技大学 机械学院，柳州 545006)

某乘用车副车架早期开裂原因分析及改进

尹辉俊，姜美姣

(广西科技大学 机械学院，柳州 545006)

0 引言

乘用车副车架设计初期，通常应试制样件，对样件进行疲劳寿命校核，借助疲劳台架试验系统对结构进行周期循环加载，以验证结构的疲劳寿命。某乘用车副车架在疲劳台架实验阶段发生早期开裂失效，未实现设计寿命，为解决此问题，首先结合多工况静强度有限元分析及应变电测实验，对副车架进行危险工况静力分析。找出副车架台架实验开裂的原因，在此基础上提出改进方案，再经多批次台架实验验证改进效果。

图1为副车架开裂照片。对多个副车架样件进行疲劳台架试验，开裂位置基本相同。均出现在摆臂后联接点的外边缘过渡处。分析开裂特征，裂纹附近无明显毛刺，故拟应用有限元法分析其在危险工况下的应力分布情况。

图1 副车架开裂图片

图2 副车架有限元模型

1 危险工况静力分析

1.1 有限元模型的建立

副车架为薄板冲压焊接结构，故在Hypermesh中以副车架中面[1,2]为基础，利用四边形壳单元[3～5]进行网格划分，建立副车架的有限元模型。采用实体单元与刚性单元相结合的方式模拟焊缝[6]，长度与实际的焊缝长度相符。

1.2 材料属性

副车架共采用SAPH440汽车结构钢和20#钢两种材料，其中SAPH440汽车结构钢的屈服强度为305MPa，抗拉极限强度为440MPa；20#钢的屈服强度为275MPa，抗拉极限强度为445MPa。按照材料的实际属性，将副车架有限元模型的弹性模量取为2.1×105MPa，泊松比为0.3，材料密度为7.8×10-9t/mm3。

1.3 边界条件及载荷工况

副车架的恶劣工况为紧急制动工况和普通加速工况。此二工况约束副车架与车身安装点的移动自由度，图2中三角形为施加约束位置；依此二工况的受力情况在摆臂安装点、左右转向器安装孔施加力。衬套及联接螺栓均以刚性单元模拟。图2箭头为施力位置。

1.4 结果分析

使用NX-Nastran作为求解器，得到的危险工况应力分布云图见图3。分析应力云图可知。在发生开裂的位置出现应力集中，与开裂位置相符。应力集中处的最大应力为172.06MPa。

图3 前副车架有限元应力分布云图

2 应力测试

为验证有限元分析方案，进行应力应变电测试验。在前副车架疲劳台架实验的开裂位置布置测点；使用DH3816静态应变仪，借助疲劳台架测试系统模拟副车架危险工况施加载荷，测试得到向前加载时测点应力114MPa，向后加载时测点应力为138MPa。与有限元分析结果基本相符。证明有限元分析结果符合实际工况。图4为电测测点，测试数据与有限元分析数据对比情况见表1。

图4 电测实验的测点图

表1 电测数据与有限元分析结果对比

3 开裂原因分析及改进方案

由有限元静力分析及电测实验对比可知，疲劳台架实验中出现开裂的位置应力集中明显，为局部结构不合理引起的应力集中，故将开裂处的异形外边缘拉直，图5为改进前后的副车架模型。

图5 副车架改进图

4 验证改进方案

4.1 危险工况静力分析

按前述材料属性及边界条件建立改进副车架的有限元模型，进行危险工况的静力分析，得到应力分布云图见图6。改进后的副车架应力分布均匀，应力集中现象得到明显改善。

图6 改进后的副车架应力分布云图

4.2 疲劳台架实验

疲劳台架试验采用PWS-30二通道电液伺服汽车副车架及车轴疲劳实验机，按疲劳[7～10]试验规范，在左右摆臂联接点交替施加6000±N作用力，以模拟加速和制动工况，图7为台架实验加载图片。对改进后的副车架进行多批次台架实验，结果表明，改进后副车架未出现开裂问题。验证了改进方案的可行性。

图7 副车架疲劳台架试验加载图片

5 结论

从前副车架开裂现象出发，以副车架在危险工况下的受力情况为边界条件进行了有限元静力分析，结合疲劳台架，进行了应力应变电测试验，在验证有限元分析结果的同时，分析了开裂原因，进而提出改进方案，改进方案经过多批次疲劳台架试验证实，前副车架再未出现开裂问题。

[1]尹辉俊,黄贵东,黄昶春,等.重型自卸车车架早期断裂原因分析的研究[J].汽车工程,2006,28(12):1133-1135.

[2]尹辉俊,韦志林,黄昶春,等.面向设计的微型车车架强度分析[J].机械设计,2008,25(1):62-67.

[3]尹辉俊,杨平辉,金剑,潘宇,何云峰.高架桥式龙门数控雕铣机的动态特性研究[J].机械设计与制造,2012,07.

[4]金新,尹辉俊,张丽娜.基于NX Nastran的有限元分析在专用螺纹加工机床设计中的应用[J].机械设计与制造,2011,11.

[5]叶文龙,尹辉俊.某型轿车后轴的强度分析[J].机械设计与制造,2013,04.

[6]黄鹤辉,于永泽,尹辉俊.装载机支撑轴新工艺的数值模拟及工艺改进[J].机械设计与制造,2011,01.

[7]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉:华中科技大学出版社,2002:71-85.

[8]刘鸿文.材料力学[M].4版.北京:高等教育出版社,2004:3-6.

[9]陈海,洪桓桓,陈正康,等.某乘用车后轴冲击分析[J].汽车实用技术,2011,7.

[10]张安哥,朱成九,陈梦成.疲劳、断裂与损伤[M].成都:西南交通大学出版社,2006:25-29.

The analysis on the reasons for the earlier fatigue break of a passenger car frame & improvement

YIN Hui-jun，JIANG Mei-jiao

某乘用车副车架在台架试验过程中出现早期开裂失效，根据该台架试验对应的副车架工况确定边界条件进行有限元静力分析，得到危险工况下的应力分布情况。通过电测试验验证有限元分析结果。根据有限元计算结果分析开裂原因，并提出对策。对改进后的副车架进行的台架试验证实，改进后开裂问题得到解决。

副车架；有限元；应变电测试验；疲劳台架试验

尹辉俊（1972 -），男，广西柳州人，教授，硕士，主要研究方向为车辆关键零部件设计与制造。

U463

A

1009-0134(2014)05(下)-0117-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).33

2014-01-12

广西高等学校优秀人才资助计划项目（桂教人〔2011〕40号）；广西自然科学基金项目（2013GXNSFAA019319）；广西科技计划项目（桂科攻1348005-12）；广西重点实验室建设项目（13-051-38）；广西研究生教育创新计划资助项目（2013105940802M01）