汽车扭力梁失效分析及结构优化

姜飞

摘 要：随着汽车工业的发展，扭力梁式半独立悬架被越来越多的车型所接受，尤其是A及轿车以及紧凑型SUV。扭力梁式半独立悬架介于独立悬架与非独立悬架之间，结构特点是成本低、结构简单、占用空间小。扭力梁作为扭力梁式半独立悬架的核心零部件，本人针对扭力梁失效及结构优化做了深入研究与改进。

关键词：扭力梁;结构优化;失效分析

1 扭力梁研究的意义

随着汽车工业的发展，扭力梁式半独立悬架被越来越多的车型所接受，尤其是A及轿车以及紧凑型SUV。扭力梁式半独立悬架在汽车行驶在颠簸路面时，左右车轮上下弹跳时会相互牵连，同时产生一定的扭转变形，使悬架性能介于独立悬架与非独立悬架之间，它的结构特点是产品结构简单，制造成本较低，维修容易，易于装配维修，占用空间小，降低汽车底板的高度，增大了后备箱空间，轮胎的磨耗小。 扭力梁作为此款悬架的核心零部件， 它的难点在于中间“V”型横梁断面形状的设计，材料属性的选择。鉴于扭力梁应用广泛，所以如果进行扭力梁的设计及优化改进变得非常有意义。

2 试验失效描述

2.1 强化路试失效描述

强化路试失效位置是横梁与横梁加强板焊缝收弧处，横梁整体断裂，试验完成里程6067Km，未达到15000Km强化路试要求。

2.2 台架试验失效描述

台架试验失效位置是横梁与横梁加强板焊缝收弧处，裂纹长度30mm，试验累计完成23万次，未达到循环40万次的要求。

3 失效原因分析

3.1 台架失效件原因分析

台架试验与强化路试失效位置基本相同。经试验工程师描述，台架试验失效件原始裂纹源是焊縫收弧处（如图1所示），随着试验逐步扩展，试验终止时裂纹长度为30mm。如果继续试验，裂纹会一直延伸直至横梁断裂。经初步分析，原始裂纹源锁定在焊接收弧处热影响区。

3.2 路试失效件原因分析

3.2.1 观察分析

路试失效件裂纹源同样锁定为焊缝收弧处（如图1所示），具体分析如下，图2A是路试裂纹区域放大形貌，红色箭头指示半月形区域的断口平整，表面因反复摩擦而呈现金属光泽，半月形边缘存在疲劳弧线，如图中黄色箭头所示，为疲劳断裂的宏观形貌。图 2B为图 2A 的扫描电镜放大像，图2C为断口的扫描电镜放大形貌。在图2C中可见大部分断口经过研磨和氧化，断口特征已无法辨别。经以上观察，确定裂纹源为断口处的半月形区域，属于疲劳断裂。

3.2.2 金相组织分析

在疲劳源附近位置取金相样品，对焊接接头的金相组织进行观察，未见焊接缺陷。母材属于热轧高强度钢板，图母材的金相组织，由铁素体和珠光体组成。图2D是开裂位置金相组织，该区域受焊接热的影响，晶粒尺寸略高于母材。但裂纹附近的晶粒尺寸与母材相近，金相组织差异并不明显，焊接不存在缺陷。为了判断开裂位置是否在焊接热影响区，采用硬度测试的方法确定。

3.2.3 硬度检测分析

硬度测试结果显示开裂位置附近硬度低于母材和焊缝，根据硬度结果分析，热影响区强度较低，裂纹更容易产生，并沿热影响区扩展，初步锁定裂纹源是焊缝收弧处。

3.2.4 失效分析总结

经以上观察分析，焊缝金相组织、硬度均不存在问题，原始裂纹源锁定在焊缝收弧处，属于疲劳断裂。

4 扭力梁改善优化

4.1 横梁的优化

首先，对扭力梁总成进行CAE分析，查看横梁裂纹源附近的受力情况，对应力集中区域进行型面及结构的优化改善，直到满足使用要求。

其次，根据CAE分析结果重新对材料属性进行定义，选择屈服强度大于500MPa的钢板材料。

4.2 横梁加强板的优化

改善横梁加强板型面与横梁型面的贴合程度，修正加强板的边线轮廓，避开应力集中点，最终满足使用要求。

4.3 焊缝收弧位置及参数优化

改善收弧焊缝的方向与位置，避开应力集中区域，调整焊接电流、电压等焊缝参数，减少因焊缝带来的缺陷及影响。

4.4 扭力梁总成整体喷丸

对扭力梁焊接总成进行整体喷丸，从而去除应力强化表面，提高扭力梁的整体强度，改善疲劳寿命。

5 扭力梁改善验证

把经过改善扭力梁总成从新进行台架试验，试验40万次循环没有发生开裂，55万次出现裂纹，疲劳寿命提升了3倍。同批改善样件搭载强化路试车辆，满足了整车的15000km强化路试。

6 结束语

扭力梁虽然被越来越多的车型接受，但其结构设计、横梁截面型面设计及材料的属性选择依然是难点。扭力梁式半独立悬架用极少的零部件构成，完成了相对较为复杂的工作，所以扭力梁的每个零部件都起着至关重要的作用，不可忽视。

参考文献：

[1]王文.麦弗逊式前悬架运动学分析及优化研究[D].华南理工大学，2018.