发动机悬置支架故障分析及改进设计

刘百丽，辛晓鹰

（陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710200）

发动机悬置支架故障分析及改进设计

刘百丽，辛晓鹰

（陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710200）

针对公司某款车型出现的发动机悬置支架断裂问题，提出了有效的解决方案。根据失效模式，优化零件结构，通过应力及疲劳寿命分析验证优化结构的可行性，并通过市场验证确定优化方案的有效性和可靠性。为以后零件的结构优化与CAE仿真分析提供了参考依据。

悬置系统；仿真分析；优化

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-40-03

前言

动力总成是汽车的主要激振源之一，悬置系统各各个零件的设计的合理性直接影响着悬置系统的隔振性及可靠性。悬置支架是动力总成悬置系统中关键零部件之一，它起着支撑动力总成、连接减振元件、传递载荷的作用。公司生产的这款自卸车是一款性能高、动力性强、经济性好的车型。自投放市场以来深受用户好评，但使用一段时间后该车出现了发动机后悬置支架断裂问题，严重影响了该车型的正常销售，给用户和公司带来很大的经济损失。为此我们对此问题进行了深入研究，找出问题的原因，提出了有效的解决方案，彻底解决了发动机悬置支架断裂问题。

1、断裂原因分析

首先我们对故障零件进行了数据统计及故障模式分析。断裂支架属于动力总成悬置系统的后支架，安装在离合器壳端,是离动力总成质心最近的悬置支架,主要承受垂直载荷,因此在动力总成悬置系统中起着支撑作用。该断裂支架平均故障里程为3400km，故障模式均为连接端处开裂，断口模式如图1。断面光滑、平坦，可见明显疲劳扩张条纹（贝纹线），疲劳条纹基本以加强筋为中心对称扩展，疲劳区面积较大，疲劳裂纹扩展充分。断裂源有一至两个，均位于加强筋根部。由此可以看出支架上端面加强筋根部是该零件的主要薄弱区。该零件主要承受外力的交变载荷，交变外力的作用以及应力集中是导致该零件断裂的原因之一。同时某些用户的超载行为可能也是导致该零件强度无法满足特殊工况的使用需求出现断裂现象。对此还需要经过CAE分析紧系作进一步分析。

断裂支架应用的动力总成悬置系统模型如图2。

首先计算出断裂点的作用力。根据悬置模型，定义坐标原点为曲轴中心线与发动机后端面交点，X 轴沿曲轴中心线指向动力总成的前方为正方向，Z 轴指向发动机的上端盖，并平行于气缸中心线方向，Y 轴遵守右手定则。动力总成各参数如表1，各悬置点坐标位置如表2。断裂件位于发动机后悬置点,根据表1、表2中的数据计算出发动机后悬置的受力值。

表1

表2

然后建立有限元仿真模型（图3），对断裂件进行静态应力分析，利用HyperWorks软件计算出应力分布云图（图4），根据应力云图可以看出：最大应力点为92.45MPa，安全系数为3.35。零件的薄弱点与实际断裂处吻合，在此基础上应用Femfat软件对该零件进行疲劳分析，该件最小疲劳安全系数(图5)为0.8825，最小疲劳寿命为5.802×105。

从疲劳分析结果看出，该件的疲劳安全系数偏小，不满足工程经验推荐值1.32（FEMAFAT原厂商ECS《斯太尔工程中心》工程经验）。

2、零件优化及分析验证

根据零件实际断裂情况，结合CAE分析结果我们对该零件薄弱区域进行了优化改进设计，改进前结构见图7，改进后的模型结构见图8，我们对加强筋根部断裂处进行了局部

加强。为保证新设计零件与原结构零件的通用性，我们仅对断裂区域进行了局部加强。为保证改后的零件尽快投放市场，解决市场上频繁的断裂问题，首先我们对改后的零件进行了CAE分析，对其强度提升状况进行分析了解。

改后零件受力情况与改进之前相同，建立的有限元模型如图9所示。再对其进行应力分析（图10）及疲劳安全系数（图11）和疲劳寿命（图12）校核分析。

根据CAE分析可以看出：

（1）改进前零部件的薄弱点为支架上端面的加强筋最低端，经过优化后此处强度明显加强，优化后零件的最大应力点为支架下端面的加强筋根部。

（2）通过静强度计算得到的应力结果，优化前安全系数为3.33，优化后的安全系数为11.73，提升了近252%，大大提升了其结构强度。

（3）通过疲劳分析可以看出，原结构疲劳安全系数为0.8835，不满足工程经验推荐值1.32（FEMFAT原厂商ECS《斯太尔工程中心》工程经验），优化后结构的疲劳安全系数为1.537，满足工程要求。优化前疲劳寿命为5.802×105，优化后的结构为6.133×109，疲劳寿命大大提高。

从应力分布和疲劳寿命来看，优化后的结构相较于原结构应力最小，且疲劳寿命长。因此，可以作为改进方案进行验证。对此，我们按优化后的结构生产了小批量样件在出现问题的车辆上进行了更换验证，通过验证，改后的零件再未出现断裂问题。为此，可以看出改后的零件满足实际使用需求。

3、结论

本文针对市场提出的发动机悬置支架断裂频繁问题，采用断裂件分析与CAE分析结合的方式分析出失效原因。对于失效件薄弱点对其进行优化改进设计，既提高了零件的强度又不影响该零件在整车上的使用，通过应力分析及疲劳分析确定优化方案的可行性，并在实车上对其进行验证，确保改进方案满足实际使用需求，同时为同类零部件的设计提供了参考依据。

Engine mount bracket failure analysis and design improvement

Liu Baili, Xin Xiaoying
（Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Fracture of a mounting bracket for the company appear engine models proposed effective solutions. According failure modes, optimizing part structure, optimize the structure to verify the feasibility analysis by stress and fatigue life, and to determine the validity and reliability of optimization market validation. After the parts for structural optimization and CAE simulation analysis provides a reference.

Mounting System; Simulation Analysis; Optimization

U461.2

A

1671-7988(2014)09-40-03

刘百丽，就职于陕西汽车集团有限责任公司。