某车型前悬架下摆臂支撑杆失效分析及改进

2021-12-29赵海

汽车与驾驶维修(维修版) 2021年12期

赵海

（柳州五菱汽车工业有限公司，柳州 545007）

0 引言

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来[1]。所以，悬架系统必须要有良好的可靠性，来保证汽车的生命周期。下摆臂是悬架系统中传力和导向的重要机构，其强度和刚度是否合理，直接影响着悬架性能。周从源通过有限元分析，确定了前悬上摆臂原结构失效的原因，通过优化保证了该零件的强度及可靠性[2]。

1 问题现状

麦弗逊式独立悬架是汽车上常见的一种悬架系统，该系统主要由减振器支柱总成、支撑杆总成、前下摆臂总成、转向节及制动部件总成构成（图1）。因其结构简单，占用布置空间小等特点，被广泛地使用在乘用车以及轻型商用车上。某车型为成熟车型并已经在市场使用多年，该车型采用了麦弗逊式独立悬架，从未出现过支撑杆总成断裂的情况。

图1 某车型麦弗逊式独立悬架模型

但近期该车型在售后市场出现了较多悬架支撑杆断裂故障问题（图2），故障的位置都是在支撑杆总成的折弯处。经调查，问题车辆行驶路况都是较好的城市硬化道路，行驶里程基本都在1万km 左右，行驶的时间较短，初步判断为低周疲劳断裂。

图2 前悬架支撑杆断裂故障

本文通过一个支撑杆的失效案例为研究对象，对其失效形式进行研究分析。通过对支撑杆的结构设计、生产过程控制、材料的使用以及成型热处理工艺等进行综合评估分析，找出其失效的根本原因，从而给出改进方案，以及验证改进方案的可行性。

2 失效原因分析

对麦弗逊悬架的结构进行研究分析，可以看出该结构后支撑杆总成的主要受力形式为，承受车辆在行驶过程中的纵向力，即在驱动力和制动力的交变载荷下共同作用。由此，可以通过以下3 个方面对该支撑杆结构进行疲劳断裂的原因排查分析。

2.1 基于有限元分析进行强度校核

为了验证原设计方案的可靠性和合理性，需要开展典型工况下的下摆臂强度校核分析[3-4]。根据车辆的类型和使用情况，可以通过3 种典型的极限工况确定该悬架结构的极限受力情况。这3 种典型的极限工况为：垂直动载；直线行驶时侧向力最大；紧急制动（前悬架）或起动（后悬架）。

垂直力最大：垂直动载工况对应垂直力最大工况，即汽车通过不平路面，此时垂直力FZ最大，纵向力FX=0，侧向力FY=0。动载系数取5，则车轮接地点受到地面垂直力FZ=5G1（G1 为前轴单边满载轮荷）。

侧向力最大：侧向力FY最大，纵向力FX=0。最大侧向载荷为FY=FZ×ψ，这里ψ 为附着系数，取0.8。

制动力最大：制动时的载荷转移系数取1.6，附着系数ψ 取0.8，则前悬架垂直载荷为1.6 倍前轴荷，即FZ=1.6G1，地面纵向力FX=FZ×ψ。

根据故障件的断裂方式分析，该支撑杆主要是在制动工况和驱动工况下，产生交变载荷破坏。根据整车满载前轴轴荷635 kg，确定该工况下的车轮接地点的最终载荷如下：制动力X 向为2 491 N，侧向力Y 向为0 N，垂直力Z 向为4 983 N。

对支撑杆进行有限元CAE 分析，模拟制动过程的受力情况，分析结果如图3。支撑杆折弯处应力值为117.5 MPa，支撑杆材料为35 号钢，屈服极限为315.0 MPa，强度极限为530.0 MPa，支撑杆的材料强度满足要求，且安全系数为4.5。从CAE 分析结果得出，该支撑杆的安全系数较高。

图3 后支撑杆故障件CAE 分析结果

为了更加充分地验证设计状态，对该零件模拟实车状态搭建试验台架，通过强度破坏试验进行验证（图4）。试验结果表明，该支撑杆的实效力为1.6×104N，是单边轮荷的5.1 倍，强度安全系数较高。

图4 后支撑杆故障件强度试验

2.2 故障件断口金相分析

考虑零件材料本身是否存在缺陷问题，以及生产过程中零件是否有内部或者微裂纹的损伤，对故障件断口用高倍电镜进行了系统检测，分析零件失效断口的宏观和微观情况。

宏观断口分析：断口为疲劳断口，断面大部分已锈蚀，疲劳源在杆身折弯内侧表面处。断口是先出现了小面积的疲劳区，然后直接脆性断裂。断口形貌以及启裂源区如图5a 所示，该区域并没有材料缺陷和旧裂伤痕。

微观金相组织：过启裂区旁制样检测，金相组织为纵向带状分布的铁素体加珠光体，带状2 级，带状分布与断裂方向垂直，与断裂不相关（图5b 和图5c）。

图5 断口金相组织检测

2.3 零件实物状态分析

通过对故障零件的实物状态进行排查分析，发现所有的支撑杆总成断裂故障件，都有一个共同点，那就是零件的折弯处内侧都有折痕，且全部断裂在折痕位置（图6）。

图6 故障零件折弯处有折痕

2.4 失效原因分析结论

从以上3 个方面进行综合分析，得出以下结论。

（1）CAE 分析结果和台架强度试验结果表明，零件的设计状态能够满足使用要求。

（2）金相分析结果表明：断裂性质为疲劳断裂，疲劳源位置没有材料缺陷和旧裂痕迹。

（3）该零件的故障主要是零件在生产过程中没有得到有效的控制，成型过程中出现折痕，从而引起应力集中；而且零件成型后没有进行热处理消除预应力，导致低周疲劳断裂。

3 改进方案

通过对零件的数模和设计图纸进行尺寸校核分析（图7），主要对断裂折弯处进行工艺分析评估。支撑杆的直径为22 mm，折弯处的夹角为125.6°，中心圆弧半径为R40 mm，内侧半径为R29 mm，圆弧内侧半径与杆径的比值仅为1.3，比值过小。如果生产过程中控制不当，容易导致在折弯成型生产过程中产生折痕缺陷。

图7 零件设计尺寸

通过以上分析，对支撑杆折弯处进行改进：增加折弯过度，圆弧半径由原来的R40 mm 更改为R80 mm，圆弧内侧半径与杆径的比值为3.1。再次进行CAE 分析校核，故障位置的应力为84.3 MPa，较原来状态应力降低了28.2%。这就有效改善了该位置的应力情况，减小了应力值并降低了应力集中度，同时也改善了零件的工艺性。

同时考虑到生产工艺的稳定性，也调整了该零件的折弯成型工艺。生产工艺由原来使用的弯管工艺，更改为借助模具冲压的成型工艺，减少弯管成型过程中对折弯处的损害，使得成型过渡得更加平顺。材料由35 号钢更改为40Cr 钢，升级了材料的机械性能。同时，增加了调质热处理工艺，消除成型过程中的预应力，提升零件的综合机械性能。