客车车架开裂原因分析

吴军座

苏州华碧微科检测技术有限公司 江苏省苏州市 215024

1 引言

客车作为目前全世界最重要的交通运输工具，具有载运能力强，运送便捷，成本低廉等特点，被作为城市公共交通，中短途客运以及中、小学校接送学生的首要选择；客车的使用频率高，用途广泛，运载的乘坐人员多，因此其设计、制造及使用的安全性和可靠性也日益受到重视和关注。客车设计和制造质量的优劣，对于车辆在使用过程中的安全性和可靠性具有决定性的意义，客车的安全性直接关系到乘坐人员的生命安全和财产安全，因此，对于客车的设计、制造和使用应该具有更加严格的管控，对于客车安全性的研究更显得重要，为此，本文对某型号客车在使用过程中车架开裂的原因进行了深入的分析，探明车架开裂的原因，并对车架进行了局部结构的优化。

2 试验材料与方法

车辆右侧纵梁开裂，开裂部位距车架最前端约1380mm，开裂处的宏观形貌特征如图1所示。裂纹由下翼面（下翼面与车架加强肋板斜尖角焊接部位）经腹板延伸至上翼面。经测量，开裂部位车架下翼面钢板厚度约为5.09mm，并且车架下翼面开裂部位存在直径约为8mm的圆孔；检查车辆左侧纵梁（与右侧纵梁开裂部位相同位置）如图2所示，未见下翼面存在开孔现象，未见相同位置存在车架开裂现象。检查发现车辆车架开裂部位腹板外侧（腹板靠近上翼面部位）存在补焊钢板现象，裂纹沿焊缝的热影响区域扩展。

对开裂的车架进行取样、制样，并进行化学成分检测，材料拉伸性能检测以及断口的微观形貌观察分析。

3 试验结果

3.1 化学成分分析

对开裂车架分别取两处不同部位进行化学成分检测，结果见表1。由表1可知，其化学成分符合GB/T 3273-2005《汽车大梁用热轧钢板和钢带》中440L、510L及550L的要求。

3.2 材料拉伸性能试验

对开裂车架分别取两处不同部位进行材料拉伸性能试验，结果见表2。由表2可知，其拉伸性能符合GB/T3273-2005《汽车大梁用热轧钢板和钢带》中510L及550L的要求。

3.3 断口分析

由车架开裂部位断口的宏观形貌可知，裂纹由下翼面经腹板逐渐延伸至车架上翼面，如图3所示。对车架开裂部位分别标示下翼面断口部位为a区域，腹板中部断口部位为b区域，分别对a区域、b区域进行断口微观形貌观察、分析，如图4所示，a区域处微观形貌为解理形貌，b区域处微观形貌为韧窝形貌，即裂纹起源于下翼面位置，并向腹板中部扩展，裂纹源处为解理形貌，扩展区及最后断裂处为韧窝形貌。

表1 化学成分分析检测结果（wt%）

表2 材料拉伸试验

4 有限元仿真分析

为了更近一步探明车架在同样载荷状态和约束条件下车架应力的分布，并对车架开裂部位进行局部优化，采用有限元分析方法，对车架进行建模，分析在同一载荷以及约束条件下车架下翼面开孔及加强肋板存在斜尖角状结构与车架侧面封闭，车架下翼面取消开孔状态时其应力分布，如图5所示。仿真结果表明，车架下翼面与加强肋板斜尖角部位焊接，下翼面开设圆孔时，加强肋板下边缘及下翼面圆孔部位有明显应力集中现象；当车架纵梁侧面封闭，车架下翼面取消开孔时，车架在原开裂部位无明显应力集中现象。

5 结果分析

由车架的宏观形貌特征分析可知，车架裂纹由下翼面经腹板逐渐向车架上翼面延伸，左、右车架纵梁在开裂位置存在明显不同的结构，右侧纵梁开裂部位存在下翼面与车架加强肋板焊接后的斜尖角状结构及下翼面开孔结构，导致车架存在应力集中区域。

由材料的化学成分及拉伸性能试验结果可知，车架的化学成分和力学性能符合标准对于车架材料的要求。

由断口分析可知，车架裂纹起源于下翼面位置，并向腹板中部扩展，微观断口存在解理形貌特征和韧窝形貌特征。

由有限元仿真分析可知，车架下翼面与车架加强肋板焊接后的斜尖角部位，下翼面开设圆孔部位有明显应力集中现象；当车架纵梁侧面封闭，车架下翼面取消开孔时，车架在原开裂部位无明显应力集中现象。

由以上综合分析可知，车架下翼面开孔及加强肋板与下翼面结合部位为斜尖角状结构，造成该部位应力集中，导致车架承载能力下降并致车架开裂。

6 结论及建议

（1）本文对某型号客车车架的开裂原因进行了综合分析，主要原因为车架结构存在应力集中区域，导致其承载能力下降并致车架开裂。（2）车架是车辆的重要组成部分，在车辆设计和使用过程中都起到了至关重要的作用，车架在设计和工艺处理时，应尽量减少可能造成应力集中的区域，严格按照国家标准对于车架的设计和生产要求执行，避免车架因设计和工艺处理过程中的结构缺陷导致安全性降低。