重型汽车管状横梁、盆梁失效分析与改进

袁鹏涛，邢继琼，鲍文芳，袁丽，梁永，陆昱州

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

1 前言

众所周知，管梁主要作用为缓解车辆重载状态下在恶劣路面运行时车架扭转变形[2]，消除应力，防止车架开裂造成重大安全事故，盆梁与管梁的作用为相辅相成关系，盆梁的存在更进一步改善车架的扭转变形。某重型卡车，售后市场反馈管梁大批量开裂问题，同时盆梁售后故障率较高。引起市场极大抱怨，并且造成高额经济损失，对品牌形象造成严重负面影响，此问题亟待解决。

2 问题概述

2018 年市场反馈某公司某型号管梁批量开裂，2019 年此型号管梁售后故障率较高，全年失效1704 件，主要失效模式均为开裂、断裂，售后失效金额高达356.19 万元；2019年与此配合使用的盆梁总成售后故障率也较高，全年失效1409 件，主要失效模式均为开裂、断裂，售后失效金额高达123.94 万元。客户抱怨强烈，给这款车型的推广造成了极大阻力及不良影响。

图1 管状横梁开裂

图2 盆梁开裂

3 重型汽车管状横梁、盆梁失效分析及改进措施

3.1 管状横梁

3.1.1 失效件理化分析

经过对售后失效件理化分析发现，断裂零件金相组织、化学成分、材质均符合要求；断裂零部件在管梁支座加强筋根部处形成应力集中点，在工作应力下萌生疲劳裂纹，导致零部件在服役过程中发生疲劳断裂。

图4 清洗后断口宏观形貌

图5 基本微观形貌 100X

3.1.2 CAE 分析[3]

结合开裂点及此前类似车型经验，在原结构（方案1）的基础上优化2 种方案，对垂向冲击和扭转工况进行CAE分析，根据最小静态安全因子的具体数值确定最优方案。具体如下：

（1）方案2 在方案1 的基础之上改变了管梁支座加强筋的高度。

（2）方案3 在方案2 的基础上将管梁支座的内部加厚2mm。

图6 管横梁三种对比方案

（3）材料和模型：

图7 管横梁模型参数

（4）分析工况：

图8 垂向、扭转工况模型

（5）计算结果——垂向工况静态安全因子：

图9 垂向工况静态安全因子

（6）计算结果——对角扭300mm 静态安全因子：

图10 扭转工况静态安全因子

从分析结果可以看出，扭转工况最大应力点与实际损坏位置较为符合，经过优化后各方案的最小因子（详见表1）明显提高，因此新结构在原结构的基础之上有了很大的改善。

表1 管横梁材料模型

表2 最小静态安全因子结果

3.2 盆梁

3.2.1 差异性对比

通过售后故障率数据分析，各供应商售后故障率差异性较大，最高为3.51%，最低为0.42%，相差8 倍之多。同样的结构，同样的车型，各供应商故障率差异如此之大，充分说明供应商零部件实物存在较大差异，故对各供应商实物从尺寸、理化检测等方面进行差异性对比，发现故障率最低供应商实物宽度尺寸偏大，且R 圆角尺寸均比其他供应商偏大，这有力的增强了零部件的整体强度，使零部件能更好地满足实际使用需求。

表3 尺寸测量结果

3.2.2 CAE 分析[3]

结合前期管状横梁CAE 分析，且盆梁在对角扭转工况下受力最恶劣，其余工况盆梁受力很小，故对安装管梁、取消管梁、取消管梁及盆梁圆角由R10 改为R7 三种方案（详见表4）进行扭转工况下的分析结果，根据最小静态安全因子的具体数值确定最优方案。具体如下：

表4 三种优化方案

图11 有限元模型

3.2.2.1 模型

图12 管、盆梁模型参数

3.2.2.2 工况设定

图13 工况模型

图14 工况模型参数

3.2.2.3 车架强度分析

从分析结果可以看出：a、方案1 盆梁强度满足要求；b、方案2 盆梁、横梁材料为QSTE340 时强度不满足要求，材料改为510L 后满足要求；c、方案3 盆梁垫板强度满足要求，盆梁、横梁强度不满足要求；d、通过三个方案对比可以知道，当横梁未发生断裂时（方案1），盆梁达不到破坏要求，当管梁发生断裂后（方案2、3），盆梁发生破坏，且分析出来的危险位置与实际开裂位置基本一致；e、通过三个方案对比可以猜测，盆梁开裂可能是由于管梁先发生断裂导致盆梁受力情况变差而产生。

图15 方案1 分析结果

图16 方案2 分析结果

图17 方案3 分析结果

表5 三种方案静态安全因子结果

3.3 盆梁改进方案

（1）将盆梁、盆梁加强板连接螺栓孔由φ16 改为φ15，避免车辆行驶过程中螺栓晃动，撕扯加强板，造成受力不均匀，导致开裂。

（2）将盆梁、盆梁加强板R10 圆角，公差明确为（0，+2），避免R 圆角过小，应力集中，导致开裂。

（3）将盆梁、盆梁加强板材质由QSTE340TM 改为510L-6.0，增强零部件的整体强度。

4 改进效果及验证

所有改进措施体现后，对供应商批量到货零部件进行验证，均符合图纸技术要求，并跟踪售后故障数量，售后市场表现良好，售后故障数量大幅度下降。

统计售后2020 年1 月份～2020 年10 月份故障数量，管梁故障数量为135 件，下降了92.08%，售后失效金额为27.82万元，下降了92.19%，盆梁故障数量为211，下降了85.02%，售后失效金额为19.20 万元，下降了84.51%，产品的故障数量及售后损失金额明显下降，可靠性得到大幅度提升。

5 总结

本文通过各供应商产品之间的对标、理化分析、CAE 分析等系统性对管梁、横梁的开裂失效模式进行分析，精准对结构缺陷进行改进优化，从售后失效数量、失效金额等多维度进行改进验证，确保改进效果的有效性。结构性零部件售后失效模式大多数为开裂、断裂，均可借鉴此文的分析模式进行系统性分析，进行相关改进工作。