某轻型电动客车扭杆安装点强度优化

林佳峰

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，厦门 361001）

0 引言

根据市场客户需求，对某轻型国六燃油客车拓展为电动客车车型，为增大电池和后部驱动系统布置空间，提高电池容量和续航里程，对扭杆长度进行缩短。为缩短项目开发周期，采用现有扭杆缩短零件进行试制装车（图1）。

图1 装配状态

试制样车完成后直接进行SPC 耐久试验考核，在耐久试验2 945 km 后，出现左/右扭杆安装座安装处横梁裂损失效现象，扭杆无支撑且走偏，存在安全风险，无法继续耐久[1]。如图2所示，车架横梁在扭杆固定齿套安装处，前端磨损且开裂，表面光亮。后端钣金裂损约20.0 mm×20.0 mm，扭杆上调整垫块处横梁开裂约15.0 mm，扭杆横梁中间开孔处贯穿开裂，车架横梁钣金开裂失效。

图2 扭杆安装座安装处横梁裂损

2 问题调查和分析

2.1 设计状态调查

开裂问题发生后，对试验车辆出厂记录进行点检。排查车架横梁和扭杆各部件单品性能，包括车架横梁材质力学性能分析、尺寸量测以及车身上相关安装点三坐标检测，结果均基本符合数据设计状态。

通过CAE 对扭杆梁进行分析，扭杆横梁（材质B280VK，料厚1.5 mm）各工况所受最大应力450.6 MPa,大于材料屈服强度，最小安全系数为0.74，强度不足。

2.2 试制样车失效模式分析

由于该问题首次在电动车车型出现，传统燃油车均未出现该问题。结合单品排查符合设计状态的结论，初步判定该问题为车型拓展后，电动车整车空载质量（1 870 kg）相对燃油车(1 599 kg) 增加了271 kg，车身载荷变大；同时扭杆缩短297.0 mm，扭杆力矩变大。这导致车身横梁钣金所受应力变大，超过燃油车，最终导致裂损失效[2]。综上，耐久失效模式判定如下。

（1）由于扭杆横梁前移，扭杆轴线较传统燃油车不变，扭杆固定齿套安装处横梁安装点同扭杆固定齿套间隙变大。同时，后端由于布置三电元器件，载荷变大，导致扭杆固定齿套同横梁搭接不均衡，前后轮弧同扭杆齿套间隙不一致，对扭杆安装座限位不足。两端受力不均，后轮弧较前轮弧所受应力大，横梁钣金（材质B280VK，料厚1.5 mm）整体刚强度不足，后轮弧开裂至裂损，前轮弧磨损严重。

（2）扭杆安装臂受力大，使得扭杆调整螺栓对扭杆上安装座拉力大，导致扭杆上调整垫块配合轮弧处车身钣金开裂。

（3）车辆运行中，左右两侧扭杆安装点开裂，对横梁实施向上的作用力，扭杆横梁本身抗弯曲刚度不足，导致两侧向上受力，中间向下弯曲。弯曲过程中，由于横梁上高压线支架固定孔间距小，且呈直线排布，导致应力集中开裂贯穿。

3 优化改善

针对上述调查结论，对车身扭杆横梁处结构进行重新设计和优化。初步优化方案如下。

（1）提升扭杆横梁材质等级和料厚，调整高压线固定位置，取消横梁中间直线排布孔位，减小应力集中，增加扭杆横梁刚性和强度。

（2）新增加扭杆固定臂固定支架增大齿套安装配合轮弧进行配合，取消原扭杆横梁整体配合结构，改善约束不足问题，增大圆弧配接长度，增加受力面积，减小应力。扭杆固定臂固定支架按整体式和分体式进行设计和优化（图3）。整体式刚性较分体式好，因此料厚按较分体式小的数值进行设定。由于旧扭杆横梁配接处强度不足，因此材质等级提升，分体式按SAPH440，整体式按B340/590DP 进行设定（表1）。

图3 分体式和整体式

表1 原方案与新方案材料对比

（3）横梁上的扭杆上调整垫块配合孔大小由R18 mm 调整为R17 mm，减小配合间隙。

（4）优化扭杆横梁两侧连接工艺，增加扭杆横梁同纵梁侧面焊点数量，两侧二保焊含点优化为点焊。

（5）扭杆横梁同地板搭接处涂结构胶，增大受力面积，形成封闭管梁结构，使所受应力可以通过整根横梁进行释放。

4 相关验证

对车身加强方案优化后，进一步进行CAE 校核、方案选定和重新耐久验证。

4.1 CAE 校核确认

输入材料参数后，对扭杆梁连接车身的一端全约束，扭杆放开轴向旋转，其余自由度全约束。按照企业前悬架静强度试验标准，车轮向上负荷4G，扭杆弹簧、下摆臂缓冲块同时受力，输入该客车的扭杆力矩，此工况下零件不允许产生永久变形。分析结果如表2所示。

表2 应力分析结果

经过CAE 校核结果分析可知：分体式和整体式扭杆横梁（取两个方案最大应力）和扭杆固定臂支架所受应力均小于材质屈服强度，无塑性变形，满足静强度要求；经过优化后的车身强度有较大改善，车身应力最小安全系数由BASE 版的0.74 提高到CASE 版的1.06（分体式）和1.22（整体式）。

4.2 方案选定

两个方案均符合强度要求，从工艺和成本角度选择最优方案，确认如下。

4.2.1 工艺

（1）冲压工艺：分体式与整体式钣金方案冲压均可成型，但由于整体式（B340/590DP）钣金材质强度高于分体式（SAPH440），且钣金结构导致工序涉及侧冲孔和侧整形工序较为复杂，成型后存在应力集中，反弹难控制，精度差，产品不良率较分体式高问题。因此，分体式钣金冲压性能和产品精度优于整体式方案。

（2）焊接工艺：整体式和分体式均可通过夹具设变与扭杆横梁实现焊接，整体式由于增加和纵梁搭接焊点，相对分体式需要新增车架夹具设变，费用较分体式略高。

（3）涂装和总装工艺及维修性：两个方案涂装与总装工艺均可施行，装配性和维修性同原方案[3]。

4.2.2 成本

两者零件质量相当，分体式钣金模具为钢板模，共拉延、修边冲孔和翻边整形三序；而整体式钣金模具为铸造模，共落料冲孔、翻边成型、折弯、侧整形和侧冲孔侧切五序。整体式模具较分体式模具材质费用高，工序多，因此，整体式钣金模具费用较高。同时整体式钣金材料利用率为47.53%，较分体式材料利用率54.16%低，整体式钣金材料较为浪费。

综上，在满足强度的前提下，分体式结构方案从各工艺环节和成本进行评估，整体方案优于整体式。因此，采用分体式方案进行问题点对应。

4.3 车辆耐久验证

按照分体式方案进行支架开发后，进行耐久验证，耐久8 037 km 后，局部有压痕，未开裂，优化后方案满足设计及试验强度要求。

5 结束语

在以传统燃油车为平台对车型进行电动车拓展的过程中，需要对整车和各系统进行校核确认，对系统变更引起的问题进行优化改善。同时，通过模拟分析和试验进行验证，结合工艺和成本考量，寻求最优方案，以确保拓展后车型满足国家各项新法规要求。