某商用车车架总成零部件失效故障分析

廉蓉 叶军 郑志强

摘 要：车架总成零部件开裂是一种常见的失效模式。在处理同一期间多个零部件失效时，若逐一优化零部件会造成大量的资源投入，加大售后市场的操作难度。文章通过对某商用车车架总成中三种零部件失效的案例分析，介绍了一种故障分析解决方法，通过解决关键问题实现解决全部问题。并结合故障数据分析、CAE仿真分析及市场验证，证明了这一方法的有效性，提高了解决问题的效率。

关键词：车架总成零部件;故障分析

中图分类号：U463.32+6  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-61-03

Failure Analysis of a Commercial Vehicle Frame Assembly Parts

Lian Rong， Ye Jun， Zheng Zhiqiang

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd， Automotive Engineering Research Institute， Shaanxi Xian 710200）

Abstract： Cracking of frame assembly parts is a common failure mode. When dealing with the failure of multiple parts in the same period， if the parts are optimized one by one， it will cause a lot of resource investment and increase the operation difficulty of the after-sales market. In this paper， through the case analysis of the failure of three parts of t a commercial vehicle frame assembly， a fault analysis and solution method is introduced， and all problems are solved by solving the key problems. Combined with fault data analysis， CAE simulation analysis and market verification， the effectiveness of this method is proved， and the efficiency of problem solving is improved.

Keywords： Frame assembly parts; Failure analysis

CLC NO.： U463.32+6  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-61-03

引言

某商用車车架采用边梁式结构，在使用过程中出现车架上管状横梁（以下简称“管梁”）、盆状横梁（以下简称“盆梁”）、车架前端附件局部开裂的情况。多种部件失效需要考虑其相互之间的关联性，通过解决关键问题达到解决全部问题的目的。本文主要采用了这一方法，并结合故障数据分析、CAE仿真分析及市场验证，证明了这一方法的有效性。

1 车架总成零部件失效表现

某型号商用车批量出现管状横梁、盆状横梁、车架前端附件局部开裂的情况，具体表现如下：

1.1 管梁

管梁支座筋板根部先出现裂纹，逐渐扩展延伸，最后整个支座断裂脱落，如图1所示。

1.2 盆梁

盆梁与悬架后支座连接位置出现裂纹，如图2所示。

1.3 车架前端附件

前端附件下翼面拐点焊缝处出现裂纹，如图3所示。

以上零部件在车架上的位置如图4所示：

2 车架总成零部件失效原因分析

2.1 工况分析

根据车辆运行工况分析，车辆运行车速较低，因此车架主要受垂向冲击和扭转为主。

分析图4车架结构和各横梁的位置，车架后部因承载货箱和货物对车架的冲击，横梁较为密集，横梁强度较强，车架的弯曲、扭转刚度较强;车架前部因搭载发动机变速器，横梁分布较为分散，在前端附件处装配前横梁，在发动机前装配下沉式的管梁，在前悬架后支座下部装配盆梁，车架前部的抗弯、抗扭性要弱于后部。在车架受到的扭转变形如图5所示，盆梁受后部横梁的影响，其所在位置的扭转角度小于前部管梁的扭转角度，而前端附件处的前横梁与扭转角度较大的管梁共同作用，在前端附件处产生应力集中。因此判断，管梁的抗扭强度较弱，首先发生失效，失效后前端附件缺少管梁的支撑，同时加剧了盆梁的扭转，造成两者的失效。

2.2 故障数据分析

2.2.1 零部件故障数与故障里程分析

分析三种零部件在统计周期内的故障数占比，管梁故障数量最多，其次是盆梁，再次是前端附件。

结合故障里程将三种零件对比分析显示，管梁故障数峰值出现在1.6万公里，盆梁和前端附件的故障数峰值出现在2万公里，即存在盆梁和前端附件的故障普遍比管梁故障出现晚的现象，如图6所示。

2.2.2 零部件失效车辆的VIN码重叠率分析

分析三种失效件的车辆VIN码重叠率发现：

（1）盆梁失效的车辆有62.4%发生管梁失效;前端附件失效的车辆有79.5%发生管梁失效。

（2）有77.2%的车辆发生管梁先失效、盆梁后失效;有96.3%的车辆发生管梁先失效、前端附件后失效。

根据以上数据分析可知，发生盆梁、前端附件失效的故障车辆中，多数管梁均发生失效，且普遍存在管梁的故障里程小于等于其他两种零部件的故障里程，与工况分析结果相印证。

2.3 CAE分析

2.3.1 分析验证工况与零部件失效的关系

在不同扭转工况加载下分析管梁的强度。对角扭150mm与对角扭300mm时管梁的强度表现如图7所示。

对比说明，随着工况的恶劣程度加深，管梁的安全因子降低，工况恶劣是造成管梁失效的重要原因。管梁实际故障點与理论分析的风险点位置基本相同。

分析三种零部件在对角扭300mm时的强度表现，管梁的安全因子最低，其次是前端附件，再次是盆梁。说明管梁最先失效的风险最大。

2.3.2 分析验证盆梁与前端附件失效位置

（1）盆梁CAE分析

通过分别对有无管梁状态下的盆梁进行CAE分析（见图8），发现无管梁状态（即管梁失效）较有管梁状态的盆梁安全因子小，即管梁失效后，盆梁失效风险增加。实际故障点与理论分析的风险点位置基本相同。

（2）前端附件CAE分析

通过分别对有无管梁状态下的前端附件进行CAE分析（见图9、图10），发现无管梁状态（即管梁失效）较有管梁状态的前端附件安全因子显著小，即管梁失效后，前端附件失效风险增加。实际故障点与理论分析的风险点位置基本相同。

3 零部件改进方案

通过原因分析、故障数据分析及CAE验证，基本可以确定，管梁失效最先发生，随之前端附件、盆梁等出现裂纹。故可以确认最终优化方案，即通过加强管梁来降低整车故障率。

通过采用延伸加强筋、增加零部件壁厚等方法对管梁结构进行改进，并结合CAE分析改进前后管梁强度（见图11），

证明优化后的管梁最小安全因子有所提高，管梁强度有所改善。

4 优化后产品市场表现

优化后零部件投入市场后，车辆运行16个月未反馈故障信息，验证了原因分析的正确性及零部件优化的有效性。

5 结束语

对于车架总成多个零部件失效的分析和解决，本文并没有采用对零部件逐一优化的方法，而是通过解决关键零部件问题达到解决全部问题的目的，其中加入了多维度的分析方法：

（1）分析多个失效零部件之间的关联性，避免割裂的分析问题;

（2）故障数据的分析将问题场景转化为数据信息，辅助验证问题发生的原因;

（3）CAE分析中通过策划一系列的对比分析，既要验证分析逻辑的正确性，又要印证零部件实际失效表现，支持解决问题的思路;

（4）零部件优化后需通过CAE和市场的双重验证，有效关闭问题。

采用该方法能够节省资源投入，提高解决问题的效率。

参考文献

[1] 王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010，221-228.

[2] 褚超美，邱述刚，陈传颖.汽车车架扭转应力分析方法的研究[J].上海理工大学学报2005，27（4）：373-376.