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某商用车车架总成零部件失效故障分析

发表时间：2021/1/29 来源：《建筑科技》2020年8月上作者：梁运达张露崔继云

[导读] 对于车架总成多个零件失效的分析和解决，本文没有采用逐件优化的方法，而是通过对关键零部件的求解来解决所有问题，增加了多维分析方法，总结分析车架零部件典型故障问题，然后分析多个失效部件之间的相关性，在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，又要验证零件的实际失效性能，支持解决问题的思路；同时依靠材料改进和检修技术，继而提高车架使用寿命，减少故障发生率。

辽宁航天凌河汽车有限公司梁运达张露崔继云 122500

摘要：对于车架总成多个零件失效的分析和解决，本文没有采用逐件优化的方法，而是通过对关键零部件的求解来解决所有问题，增加了多维分析方法，总结分析车架零部件典型故障问题，然后分析多个失效部件之间的相关性，在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，又要验证零件的实际失效性能，支持解决问题的思路；同时依靠材料改进和检修技术，继而提高车架使用寿命，减少故障发生率。
关键词：商用车；车架；零部件；失效；故障
        引言
        随着我国汽车工业的兴起，特别是近十年商用车车企的快速发展，市场竞争越来越激烈，从传统的燃油汽车到现在的新能源汽车，汽车生产商想要在激烈的市场竞争中取得一席之地，最为重要的是增加汽车的安全性，减少汽车维修次数，提升汽车性能，降低汽车生产成本。汽车车架作为汽车主体零部件之一，其质量直接影响着整车性能，因此分析其失效形式，根据失效形式来通过调整材料，改变结构或者养护模式等，来全方位提升商用车车架性能。
        一、车架总成零部件概述
        1.1车架总成零部件
        本文以某商用车车架为研究对象。该型框架属于边梁框架结构，由两根纵梁、两根副纵梁、两根副梁和五根横梁组成。整个框架是一个前宽后窄的加宽结构。前车架用于容纳发动机和变速器等结构部件如图1所示。纵横梁与各部位加强板之间的连接件采用螺栓、铆钉连接。车架是整个商用车底盘的基体，就像人体的骨架一样，用来支撑驾驶室、发动机、变速箱、车轴、驱动轴、货箱、控制系统等相关部件，使所有部件组合成一个完整的功能车。其主要功能如下：1）携带车辆所需的其他产品零件和大型总成；2）在行驶过程中承受各种静态和动态载荷。因此，框架的基本要求也非常明确：1）为了保证车架的安全性和可靠性，车架必须有足够的强度，以保证车架在使用中不会因外力造成疲劳损坏。2）车架轻量化，在保证强度的同时尽可能减轻重量，提高车辆的燃油经济性。
        1.2车架总成零件的特点
        商用车汽车的车架一般为梯形，由两个镜对称平行的纵梁和若干横梁组成。车架纵梁采用钢板辊压成型，截面多为槽形，可减轻车架重量。它能保证框架的强度。由于槽形梁具有较高的抗弯性能，所以横梁也是槽形截面的冲压件。纵梁和横梁通过铆接连接在一起，纵梁朝内开口，前横梁有一个朝后开口，后横梁向前开口，整体框架为梯形。框架材料的刚度合适，在各种条件下都不会损坏。它能使汽车适应各种道路。车架离地较低，车的重心相对较低，提高了车辆的稳定性。梯形框架具有很大的抗弯刚度。当车架承受扭矩时，各梁同时产生扭矩。横梁安装在偏心荷载较大的地方，合理的布置可以降低应力集中。

        二、车架总成零部件的常见失效形式分析
        2.1车架总成零部件的常见失效故障
        车架总成零件的失效情况表明，某型号商用车有一批管梁、盆梁，车架前端有部分裂纹。
        1）管梁裂纹，裂纹首先出现在管梁支架的肋根部，并逐渐扩展和延伸，最后整个支架断裂脱落。
        2）盆梁裂纹，盆梁与悬架后支架连接处出现裂纹。
        3）车架前端附件裂纹，裂纹出现在前附件下翼面拐点处。
        4）磨损，前悬架吊耳衬套的磨损。
        5）变形，车速前悬置螺旋弹簧损坏或变形。
        2.2零部件失效形式分析
        根据车辆运行工况分析，车辆运行速度较低，车架主要承受垂直冲击和扭转。由于货箱和货物对车架的冲击，车架后部更为密集。横梁比较密集，横梁强度比较强，车架的弯扭刚度比较强；由于发动机变速箱安装空间限制，横梁分布比较分散。前横梁装配在前附件处，沉管梁安装在发动机前部，盆梁安装在前悬架后支架下。抗扭性比后部弱。盆梁受后横梁的影响，其所在位置的扭转角小于前管梁的扭转角，而前附件的前横梁扭转角较大。管梁共同工作，在前端附件处产生应力集中。由此判断管梁的抗扭强度较弱，首先发生破坏。失效后，前端附件缺少管梁的支撑，加剧了盆梁的扭转，导致两者失效。
        2.3检修维护不到位
        商用车使用人员没有定期对车架位置进行检查维护，导致使用过度，继而车架导致出现问题。造成这种原因主要是使用人员没有掌握检修维护技能，其次在出现问题是不能自行判断，继而导致故障加剧，最后使零部件损害。第二，在维护和使用过程中，没有采用正确的方法，导致商用车车架损坏。
        三、解决对策
        3.1加强车架总成及零部件的检修和维护
        车架裂纹的检查方法，常用的方法是利用烟熏或者涂白粉水的方法。检查发现是否存在裂纹。针对裂纹采用以下步骤进行修理：
        1）首先在可能产生裂纹的地方，清除附着的灰尘和泥土，利用煤油清洗车架裂纹表面，或者使用砂轮砂布打磨裂纹20mm的范围，让裂纹位置显露处金属光泽以后，观察裂纹的始末端。
        2）确定位置之后，卸掉载荷，平放车架，在裂纹延伸方向距离裂纹始末端10mm处各钻一个止裂孔，防止裂纹扩展。
        3）在零件外表面，沿裂纹方向开V形槽，然后使用电弧焊对裂纹位置进行焊接。
        4）对于已经焊接好的内表面，利用电焊焊接加强板，加强板主要有三角形、多边形、槽型等结构。一般情况下加强板的材料都要与被修复位置的材料相同，厚度应等于或小于零件板材厚度，长度一般应该是车架纵梁高度的两倍多。
        5）若纵梁完全断裂或者裂纹较长时，该位置又是最大位置，因此可采用槽形加强板加强，利用铆接方法固定。
通过上述步骤，完成裂纹的检查和修复。
        同时为了保证车架的使用寿命，减少失效发生概率。因此在掌握检修技术的同时，驾驶人员应该学习一定的养护技巧，形成养护习惯，定期对车架进行养护。
        3.2基于CAE软件改进零部件结构
        通过原因分析、失效数据分析和CAE验证，基本可以确定管梁的失效首先发生，其次是前端附件、盆梁等处的裂纹，从而确定最终的优化方案，即通过加强管梁的加固来降低整车的失效率管梁。通过采用延伸加劲肋和增加零件壁厚对管梁结构进行了改进，并结合CAE分析提高了前后管梁的强度，证明优化后管梁的最小安全系数得到了提高，管梁的强度得到了提高。
        3.3使用新材料或者新技术处理
        车架总成零部件的发生磨损和裂纹，从材料的角度而言，材料的耐磨性差，强度低，针对这一情况，我们可以研发新材料，提高材料的表面硬度，增强材料抗拉强度。通常情况下材料硬度的提升，会在一定程度上减少材料强度，如果能够进行表面热处理，如碳氮共渗，提高表面硬度，保持内部柔韧性，继而保证材料力学性能。
        结束语
        对于车架总成多个零件失效的分析和解决，本文没有采用逐件优化的方法，而是通过对关键零部件的求解来解决所有问题，增加了多维分析方法。（1）分析多个失效部件之间的相关性，避免孤岛性分析；2）故障数据分析将问题场景转换为数据信息，以协助验证问题的原因；3）在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，又要验证零件的实际失效性能，支持解决问题的思路；4）同时依靠材料改进和检修技术，继而提高车架使用寿命，减少故障发生率。
参考文献
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