关于后纵臂扭梁疲劳断裂问题分析20101115.pdf

1 关于 Z200HB 车型后纵臂扭梁疲劳断裂问题 问题描述问题描述问题描述问题描述：：：： 路试车辆反馈的问题――― 后扭梁左边托臂（圆管柱）开裂，故障发生里程32584km 图１ 详见：2010 年 11 月 10 日发布的众泰汽车《试验产品故障反馈单》 （附后） 背景信息背景信息背景信息背景信息：：：： Z200HB 车型是在定远汽车试验场进行道路试验，该试验场面积近 7km2，现拥有 4km 椭 圆型高速试验环道，2.2km 综合性能试验路，6.6km 凸凹不平试验路，10km 越野路和 5km 场 区山路，还拥有地形通过性试验设施、城市工况模拟试验广场、淋雨试验台、质心测试平台、 标准纵坡（20％～60％）等重要专用试验设施，以及一套完整的、在国内较为先进的测试仪 器 定远场的汽车高速试验环道，是国内第一条长圆形的高速环道，全长 4 公里，南、北直 线段各长 1.25 公里，东、西弯道（含缓和曲线）各长 750 米，路面宽 12 米，分高、中、低 3 条车道，计算行车速度分别为每小时 60、90、120 公里，弯道半径为 165 米高速车道安全 带横向坡度达 42.3° 图２ 现场调查现场调查现场调查现场调查：：：： １观察了定远试验场寄回的三个 Z200HB 车型车用的失效扭梁，其左侧均发生了此类失效， 有一个右侧发生了明显的失效，另外两个右侧焊缝出现了目视可见的裂纹，沿着焊缝的边缘； 图 3 左侧 右侧 2 ２断口有光亮的光滑区和暗淡的粗糙区，符合疲劳失效的典型特征； ３Z200HB 车型的后悬架为纵臂扭梁式： ? 纵臂为无缝圆管，管壁厚 3.5 毫米，纵臂有效回转长度 469.5 毫米（注： ） 。

图 4 Z200HB 的纵臂 表 1 竞争车型的纵臂长度数据 车型 纵臂长度（单位：mm） 菲亚特 熊猫 440 标志 207 450 雷诺 塞里奥 420 大众 波萝 424 本田 飞度 374 ? 扭梁采用倒 U 字形钢板，板厚 4.5 毫米，扭梁大约处于纵臂的中间位置，扭梁起部分的横 向稳定杆作用 图 5 扭梁断面形状 ? 在扭梁处又再加了一根横向稳定杆 图 6 横向稳定杆 ? 扭梁与纵臂以及其上的减震器安装支架的焊接工艺是用二氧化碳气体保护焊 焊接区域有飞溅，焊缝不饱满不如 Palio 派利奥原型车的焊缝美观和饱满 4 A 尺寸 3 图 7 现场粗测了一下，Z200HB 车型车型的尺寸较之 Palio 派利奥原型车增加了 10 毫米，后根 据底盘部陈雷工程师提供的信息，该数据理论为 12 毫米 5 B 尺寸 图 8 现场比对了一下，Z200HB 车型车型的该尺寸与派利奥原型车相同Z200HB 车型车型的 后轮距为 1393 毫米，Palio 派利奥原型车的后轮距为 1378 毫米，Z200HB 车型的后轮距较之 增加了 15 毫米，应是通过配置轮胎规格的不同来实现的 （注：派利奥原型车的后轮胎规格 175/70R14，Z200HB 车型后轮胎规格 185/65R14，单个轮胎宽度增加了 185-175=10 毫米。

） 其他信息------与倪权工程师确认，高速环路试验时为满载，汽车在其上顺时针运行，大 约总计运行两个小时如下图所示 图 9 原因分析原因分析原因分析原因分析：：：： 纵臂扭梁式后悬架包括扭梁和纵臂，其刚度非常高当车轮反向跳动时， 扭梁及纵臂需 要产生挠曲变形，以减轻车辆的侧倾由此产生了交变的应力，而每一次应变和应力，对于 纵臂扭梁的寿命都是损伤，根据累计损伤理论（Miner 法则） ，当累计损伤达到纵臂扭梁的疲 劳寿命极限，发生疲劳失效 图 10 从现场调查来看，由于纵臂扭梁存在着设计变更（如图 4 所示） ，因此需要对于其强度进 行仿真分析和试验验证；此外从寄回的失效件看，排除生产工艺因素，左右侧理论疲劳寿命 相同的话，左侧应在道路试验过程中承受了相对更大的当量交变应力，由此导致左侧相对于 右侧先期到达疲劳寿命极限最有可能的路况是高速环路试验工况分析如下------ 高速环路的半径 165 米，高速环路的车速 120km/h，则离心加速度 a= 0.37g Z200HB 车型车型满载质量 1478kg，则离心力 F=ma=1478×0.37=553.4 kgf 4 由 于 Z200HB 车 型 满 载 时 质 心 距 地 面 的 高 度 为 h=0.56 米 ， 则 侧 倾 力 矩 M=Fh=553.4×0.56=309.9Nm 满载时，Z200HB 车型的前后轴荷分配为 52%：48%，则当车辆静止时，各轮的初始负荷 分别为 前左轮=384.28 kgf 前右轮=384.28 kgf 后左轮=354.72 kgf 后右轮=354.72 kgf 当车子在高速环形跑道上顺时针行驶时，车辆过弯动作为右转弯。

此时发生载荷转移， 即内侧车轮上的荷载向外侧车轮转移，移动负荷为△W=M/B（B 为轮距） 这里出现了一个问题，由于 Z200HB 车型的前、后轮距是不相等的（前轮距 Bf1430 毫米， 后轮距 Br1393 毫米） ，估算时取中间值 B=（Bf＋Br）/2=1411 毫米则移动负荷为△ W=M/B=309.9/1.411=219.6kg 侧倾中心和侧倾刚度 由于总布置设计正在进行整车姿态调教，数据尚未冻结 侧倾轴线 图 11 前悬架的侧倾中心 图 12 后悬架的侧倾中心 图 13 侧倾轴线 5 这里作粗略的估算，首先假设侧倾刚性的前后分配为 50%：50% ，则各轮的荷载为 前左轮=384.28＋109.8=494.08kgf 前右轮=384.28－109.8=274.48 kgf 后左轮=354.72＋109.8=464.52kgf 后右轮=354.72－109.8=244.92 kgf 可见，后左轮部位承受的载荷大，扭梁承受了所有的垂向力及侧向力所产生的扭矩，横梁承 受扭转和剪切载荷，且在横梁与纵臂的焊缝处应力较大，其强度就成了纵臂扭梁式承载能力 的限制条件 若假设侧倾刚度的前后分配为 40%：60%，则各车轮的载荷为 前左轮=384.28＋219.6×0.4=472.12kgf 前右轮=384.28－219.6×0.4=296.44 kgf 后左轮=354.72＋219.6×0.6=486.48kgf 后右轮=354.72－219.6×0.6=222.96 kgf 可见，此种情形时左后轮承受的载荷最大。

进一步地，由于轮胎的转弯侧向力与负荷是非线性关系，如下图所示 图 14 在侧倾刚度的前后分配为 40%：60%时，前轮的转弯侧向力大于后轮的转弯侧向力， 复原力矩=（486.48＋222.96）×0.521×2.385－（472.12＋296.44）×0.479×2.385=1.478Nm 车辆不足转向的裕量很小，近乎弱过度转向 改善改善改善改善建议建议建议建议：：：： 1 设计确认 ? 通过仿真和台架试验进行设计确认在零部件及总成阶段进行设计确认会降低昂贵的整 车试验确认成本 ? 台架试验时需要模拟整车状态下的承载情形，以及与其他零部件的交互作用，因此试验 设计，如何加载是关键 ? 仿真分析的边界条件确定，目前缺少试验数据和经验数据 2 过程确认 ? 对于焊缝质量，从人、机、料、法、环等环节进行过程控制比如来料的检验；焊接前 的处理，严格按照焊接规范（焊接电流，焊接速度）操作和焊后的检验因为该类型的 后悬架无法进行车轮定位角度的调整而纵臂及扭梁等各零部件的精度和焊接工装夹具 的定位精度是前提条件 ? 供应商后扭梁检具的确认是否已经完成，因为扭梁中与制动及轮毂连接的安装面的焊接 角度在前束上的基本值大概要求 5 到 10 分的角度范围（Z200HB 车型的车轮定位角度数 据还没有得到） ，所以检具的检测精度要求相对较高。

在 PPAP 之前的小批量生产阶段， 需要供应商的初始过程能力 Ppk≥1.67 ? 为了保证了后车轮定位角度的精度，供应商提供的产品需要经过 时效处理，以释放焊接 应力焊接应力的释放需要时间，因此需要通过时效处理比如发动机上的高压铸造的 6 薄壁零部件，如曲轴后油封支架，是通过喷丸方法去除铸造应力的 附： 《试验产品故障反馈单》 试验产品故障试验产品故障试验产品故障试验产品故障反馈单反馈单反馈单反馈单 日期 2010.11.10 试验名称 JNJ7151 三万公里综合试验 车辆编号 18# 故障零件名称 后扭梁总成 故障里程 32584km 试验地点 定远试验场 缺陷级别 1 产品故障描述及建议产品故障描述及建议产品故障描述及建议产品故障描述及建议（（（（附附附附：：：：故障现场照片故障现场照片故障现场照片故障现场照片）））） ：：：： 故障现象故障现象故障现象故障现象：：：：后扭梁左边托臂（圆管柱）开裂 可能可能可能可能原因原因原因原因：：：：后扭梁强度不够 编写：周浩 审核：孟祥符 。