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纯电动汽车前副车架开裂失效分析doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2023.04.012收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 7纯电动汽车前副车架开裂失效分析詹士成，周钊，袁宝文，彭文欢（东风本田汽车有限公司，武汉430 0 56）摘要：针对某纯电动汽车前副车架在整车恶路耐久和台架疲劳耐久试验中摆臂安装区域出现两处钣金开裂问题，基于对断口材料的化学成分、力学性能、宏观形貌、微观形貌等分析，最终确定了副车架开裂的失效模式，其中一处开裂为疲劳断裂，另一处为延性断裂，并且推断出两处开裂的形成存在一定逻辑关系。通过对疲劳断裂处的结构优化和CAE分析，最终改进样件顺利通过台架试验和整车试验，证明了断口分析在解决副车架失效问题中的重要性。关键词：断口分析；副车架；台架试验；耐久开裂；纯电动中图分类号：U463.8Failure Analysis of Cracking in Front Sub-frame of Pure ElectricZHAN Shi-cheng,ZHOU Zhao,YUAN Bao-wen,PENG Wen-huan(Dongfeng Honda Automobile Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China)Abstract:To solve sheet metal cracks of front sub-frame at swing arm installationsection for a pure electric vehicle during the durability of vehicle harsh-road test and partbench test,the failure mode is finally determined based on the material analysis of chemicalcomposition,mechanical properties,macroscopic morphology and microscopic morphology.One crack is fatigue cracking,and the other is plastic cracking.It is inferred that there isa certain logical relationship between the formation of the two cracks.Through structuraloptimization and CAE analysis of the fatigue cracking section,the improved samplesuccessfully passed the sub-frame durability test and vehicle harsh-road endurance,and theimportance of fracture analysis in solving sub-frame failure problem was also demonstrated.Key Words:Fracture Analysis;Sub-Frame;Bench Test;Durable Cracking;ElectricVehicle文献标识码：A文章编号：10 0 5-2 550（2 0 2 3）0 4-0 0 6 4-0 4Vehicle汽车副车架不仅能够衰减动力总成、路面传詹士成递到车身的振动，而且对于车身、悬架具有支撑作毕业于大连理工大学，用，因此它的可靠性也直接关系着整车耐久、安全硕士学历。现就职于东风本田和舒适等性能-3。与传统的燃油车相比，纯电动汽汽车有限公司研究中心，任底车副车架具有以下特点：（1）由于电动车车重更盘工程师，主要研究方向：主大，副车架需要承受更大载荷；（2）电机总成通过要从事汽车悬置系统、副车架悬置直接安装在副车架上，副车架需要承受电机的及其相关领域的设计开发、性高扭矩输出。因此，纯电动汽车副车架的耐久性能能匹配和不良解析。要求更高。64汽车科技/AUTOSCI-TECH2023年第4期表2 力学性能分析力学性能材料抗拉强度/屈服强度/JSH590R延伸率/%MPaMPa标准要求590实测结果633/633/634图1前副车架开裂的位置判定结果某款纯电动车型在整车恶路耐久试验行驶至1.3宏观形貌分析4300km发现前副车架摆臂安装区域的钣金开裂，此1）位置1断口外在实验室进行单品疲劳耐久的副车架在完成一倍图2 为位置1断口经过清洗后的宏观形貌，由图寿命循环后，摆臂安装区域的钣金也发现开裂，并可知，断口的材料纹理具有一定的方向性，其中放且开裂位置与整车恶路耐久的位置一致，如图1所射状条纹的汇聚处即为裂纹源，裂纹源是最初发生示。由于黑色漆面影响视觉，在实验过程中如果萌开裂的区域，裂纹由裂纹源向两侧逐渐扩展形成。生微小裂纹非常难以发现，因此通常在完成耐久试根据断口的形貌特点，可以基本将断口分成三个区验后通过着色渗透探伤法观察表面开裂情况 4-6 。由域，即裂纹源、裂纹扩展区和快速断裂区，该断面图可知，副车架钣金开裂位置总共有两处：位置1位特征非常符合疲劳断裂的特征，因此位置1断口属于副车架上板的翻边处，裂纹长度为12.4mm；位置2于疲劳断裂。位于副车架下板翻边处，裂纹长度为9.57 mm。1失效分析断口是零件在试验或使用过程中断裂后所形成的相互匹配的表面。断口分析是通过对零件断口的材质、形貌、性质等分析，进而实现对断裂类型、断裂方式的判断和推论的技术。断口分析由于具有实用性强、经济性好、快捷度高等特点而广泛应用于汽车、航空、航天、机械等相关行业I7-8。1.1化学成分前副车架的材料采用高强度钢，材料牌号为JSH590R（日本标准JFSA1001），板材厚度为1.8 mm。表2 为副车架断口处材料样品的化学成分分析，经过实验检测分析，样品材料中的P、S、C、Si、M n、A l等化学元素的成分含量均满足JSH590R材料的标准要求，结果合格。1.2 力学性能为了进一步了解本次耐久失效副车架上材料的力学性能，采集断口附近的材料制作成标准式样进行拉伸试验，实验结果如表3所示。经过实验检测分析，三件材料样品的抗拉强度、屈服强度和延伸率均满足JSH590R材料的标准要求，结果合格。材料JSH590RC标准要求0.05实测结果0.0122结果460541/544/545合格快速断翠区装纹扩展区图2 位置1断口的宏观形貌2）位置2 断口图3为位置2 断口经过清洗后的宏观形貌，由图可知，经过清洗后的断口呈棕黑色，表面材料大部分被氧化，材料纹理在一定程度上呈现受挤压而塑性变形的抹平状态。此外，材料纹理比较粗糙、部分呈现杂乱纤维状，整体形貌没有明显的区域区分，该断面特征非常符合延性断裂的特征 8，因此位置2 断口属于延性断裂。图3位置2 断口的宏观形貌表1化学成分分析材料成份/%PS0.030.00161722.4/22.7/22.8裂纹源SiMn0.21.00.07820.924A12.00.11.450.0355合格Nb0.10.0459Ti0.20.0016B0.10.0005365纯电动汽车前副车架开裂失效分析1.4微观形貌分析1）位置1断口图4为通过扫描电子显微镜对位置1断口的裂纹源在不同放大倍数下拍摄的微观形貌，由图可知，在2 0 0 X的电镜下观察疲劳源区，断面上有一处明显因断裂而形成的台阶，该台阶即为裂纹最早萌生的位置；在50 0 X的电镜下观察疲劳源区，断面上的材料组织细小而粗糙；在10 0 0 X的电镜下观察疲劳源区，断面上的材料组织存在较多的二次裂纹和少量的摩擦痕迹。200X图7 为通过扫描电子显微镜对位置2 断口多处区域在不同放大倍数下拍摄的微观形貌，由图可知，在10 0 X的电镜下，断面形貌整体比较平坦，材料纹理比较粗糙，部分呈现纤维状和因塑性变形的滑移痕迹；在50 0 X的电镜下，断面形貌整体比较平滑，没有明显的韧窝特征。这是因为该断口为延性断裂，在裂纹形成以后，两侧的材料并没有完全断开、不接触，继续进行台架试验时此区域两边材料会相互挤压发生塑性变形，最终导致此处的韧窝特征被抹平。500X1000X100X500X图4位置1断口裂纹源的SEM微观形貌图5为通过扫描电子显微镜对位置1断口的疲劳扩展区在不同放大倍数下拍摄的微观形貌，由图可知，在50 0 X的电镜下观察疲劳扩展区，断面形貌整体比较平坦；在10 0 0 X的电镜下观察疲劳扩展区，断面上存在明显的疲劳辉纹（或疲劳条带），呈海滩花样；在10 0 0 0 X的电镜下观察疲劳扩展区，断面上的材料组织存在非常多的二次裂纹。500X1000X图5位置1断口疲劳扩展区的SEM微观形貌图6 为通过扫描电子显微镜对位置1断口的快速断裂区在不同放大倍数下拍摄的微观形貌，由图可知，在50 0 X的电镜下观察快速断裂区，该区域应该存在较多的韧窝，然而在SEM图片上并没有发现。这是因为快速断裂区在形成后，两侧的材料并没有完全断开、不接触，继续进行台架试验时此区域两边材料会相互挤压发生塑性变形，最终导致此处的韧窝特征被抹平。在10 0 0 0 X的电镜下观察快速断裂区，断面上的材料组织粗糙且塑性变形明显，这也是因为断口两边材料相互挤压而塑性变形导致的。500 x图6 位置1断口快速断裂区的SEM微观形貌2）位置2 断口66100X图7 位置2 断口的SEM微观形貌2分析与讨论1000X通过对副车架断口的成分分析、力学性能分析可知，副车架材料的化学成分和力学性能均满足JSH590R的材料标准要求，因此可以排除材质因素对副车架耐久开裂的影响。通过对副车架断口的宏观形貌分析、微观形貌分析可知，位置1的失效模式为疲劳断裂，断口位置2的失效模式为延性断裂。前副车架的上下板是副车架的主体，两者之间扣合后焊接为一体，摆臂安装点是副车架主要的受力点，上下钣金共同承受并分担摆臂处的载荷，当某一侧钣金发生失效，必然导致另一侧板的受力增大。根据断口失效模式可以推测，位置2 断口是在位置1断口形成一段时间以后的产生的，并且位置2 的开裂发生是由位置1开裂引起的。这是因为位置1发生开裂后导致下板的变形增大而承受的分力减小，当位置1裂纹扩展到一定程度后引起上板承受的分力5000X显著增大，最终促使上板发生延性断裂，形成位置2断口。因此，该副车架的整体失效模式为疲劳断裂，并且引起失效的主要原因是摆臂安装区域位置1的疲劳强度设计不足，需要对其进行结构优化和加强。3优化与验证该副车架下板摆臂处的结构如图8 中的（a）所500X汽车科技/AUTOSCI-TECH2023年第4期示，整车恶路耐久和台架耐久试验中副车架均是此状态。由图可知，位置1的翻边结构在过渡时存在由外翻逐渐转变为内翻的情况，这种型面结构比较复杂且容易存在应力集中。经过多种方案的结构优化和CAE验证，最终决定将位置1处的外翻边改为内翻边，如图8 中（b）所示，通过简化型面过渡实现降低应力值、改善应力分布的目的，从而提高疲劳性能。内翻外翻(a）优化前图8 结构优化前后的对比据结构优化方案对副车架模具进行修模，优化后样件在实验室台架上按照表3中的耐久条件重新进行疲劳试验。试验12.1万次时，副车架上位置1、2 处的钣金未发生开裂，其余部分的钣金和焊缝也均未发生开裂，满足设计要求；继续进行试验至2 4.2 万次，副车架上位置1、2 处的钣金仍未发生开裂，其余部分的钣金和焊缝同样也均未发生开裂。此外，整车恶路耐久重新试验后，副车架亦无开裂问题。表3台架耐久条件总循环加载载荷/kN行循环次数次数18.151.0 103a-9.0210.81 2.0 104Xb-10.816.15C-4.973结论与建议1）针对金属件的开裂问题，可以利用断口分析技术确定断裂的断裂类型、断裂方式，从而为结构优化提供指导。本文中副车架断口位置1的失效模式为疲劳断裂，断口位置2 的失效模式为延性断裂。2）在金属件的开裂问题中，如果存在多个开裂区域，应当充分根据断口分析技术推测各处断口开裂的先后顺序和关系，从而为结构优化提供更为精准的方向。本文中副车架摆臂安装区域存在两处开裂，通过断口分析推断位置2 的开裂发生是由位置1开裂引起的，因此结构优化的重点是位置1。3）疲劳断口的快速断裂区或延性断口的断面区域，通常会存在大量的韧窝特征。本文中两处区域均未发现明显的韧窝特征，因为副车架钣金尺寸较大，在裂纹形成以后，两侧的材料没有完全断开，继续试验时断口两边材料会相互挤压而发生二次塑性变形，最终导致此处的韧窝特征被抹平。参考文献：1颜伏伍，郑灏，等.汽车前副车架耐久性分析与结构改进.汽车工程，2 0 14，4(36)：48 1-48 5.2李金龙，高翔，等.基于道路载荷谱的副车架疲劳分析及优化).现代制造工程，2 0 2 2(0 5):50-55.3周德生，吴奕东，等.后副车架台架耐久开裂分析及结构优化).机械强度，2 0 2 1，43(0 6):1510-内翻内翻(b）优化后实验要求一倍耐久1Hz循环后钣12.1 104金或焊缝1Hz无裂纹、1.0 105断裂。1Hz1514.4林水泉，胡勤，等.浅谈着色渗透探伤技术.广东化工，2 0 17，44(0 1):2 4-2 5.5秦亮凯.渗透探伤法在连轧坏和钢板表面质量检验中的应用分析.冶金与材料，2 0 2 2，42(0 2):8 3-8 4.6刘颖，胡亮.浅谈焊缝渗透探伤应用分析.中国高新区，2 0 18，0 0 0(0 2 1):16 3.7钟群鹏，赵子华，张.断口学的发展及微观断裂机理研究.机械强度，2 0 0 5(0 3):358-37 0.8王荣.机械装备的失效分析(续前）第3讲断口分析技术(上).理化检验(物理分册)，2 0 16，52(10):698-704.专家推荐语伊斯武国家汽车质量检验检测中心（襄阳）试验技术副总工程师研究员级高级工程师金属材料裂纹断口分析对于研究零件失效模式和原因是非常有效的方法，该论文以实际案列讲述断口分析的整个过程和思路，如何有效分辨失效原因，为产品结构优化设计提供支持。案例中某纯电动汽车前副车架的失效部位有两处，基于断口分析判断其分别为疲劳断裂和延性断裂；进而分析得出失效先后顺序、整体失效模式疲劳断裂、失效主要原因某处疲劳强度设计不足等。基于开裂分析结果进行了后续结构优化设计，通过CAE计算和试验验证，改进有效。该论文很有实际指导意义，对汽车可靠耐久性故障失效分析很有借鉴参考价值。67