某车型发动机悬置支架开裂分析及优化设计

李立波，白龙

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某车型发动机悬置支架开裂分析及优化设计

李立波，白龙

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

针对某车型悬置支架在道路试验中失效的现象，提出了有效的解决方案。应用有限元方法对发动机悬置支架进行分析；根据分析结果，对支架结构、材料以及焊接工艺进行优化设计；结合台架试验和道路可靠性试验，满足设计要求。

发动机悬置支架；强度分析；优化设计

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)05-59-04

前言

动力总成是汽车的主要激振源之一，悬置系统零部件的性能和可靠性设计直接影响悬置系统的隔振率及系统可靠性；悬置支架是动力总成悬置系统中关键零部件之一，起到支撑动力总成、连接减震部件、传递震动载荷的功能。由于车辆运动工况及路况的复杂性，对于目前悬置系统支架的可靠性开发，主要通过台架及强化道路的可靠性验证进行设计确认。

针对某车型悬置支架在试验过程中出现的开裂问题，经过确认，支架材料为DC04，在道路试过程中出现开裂失效，为了确定悬置支架的开裂原因，对支架的工作工况进行数据采集、台架拉压试验、CAE强度分析、焊点撕裂试验；本文针对以上分析及试验完成悬置支架失效的原因分析及优化，解决悬置支架开裂问题，为悬置支架开发积累经验。

1、动力总成悬置支架开裂失效模式

根据道路可靠性验证，在试验过程中悬置支架在道路试验15万公里时连续出现开裂，具体如下：失效模式一出现在支架第一排螺栓孔，开裂失效从安装孔开始，向支架边缘开裂(孔边缘距支架边缘有6mm)；失效模式二出现在支架三面折弯处。

2、悬置支架应力数据采集

针对动力总成悬置支架产生开裂失效模式的工况，在左右悬置支架上分别布置传感器，进行试验数据采集，确认在道路试验过程中悬置支架各个点所承受的应力应变。单侧支架选取9个采集点，共选取18个数据采集点；完成5轮最大拉压应变、应变幅数据采集。

根据试验结果，最大应力发生在8号数据采集点，最大应力1017μm/m，为压应变。

从试验数据中得出，最大应变发生在8号点，最大压应变为-1047μm/m，按照钢材的普遍弹性模量210GPa，应力数值为219MPa；悬置支架的材料为DC04，屈服极限165MPa，存在开裂风险。

3、悬置支架应力数据采集

为进一步分析悬置支架的受力情况，进行动力总成质心转动惯量测量、悬置坐标、非线性刚度曲线采集以及10工况的载荷提取。

根据以上总成质心转动惯量测量、悬置点坐标、非线性刚度曲线采集以及10工况载荷提取，完成左右悬置10工况载荷提取，提取数据如表4。

在提取左右悬置10工况载荷的基础上，进行CAE分析，确认设计状态悬置支架的强度是否满足可靠性要求；模型建立及材料属性如下；

根据CAE分析，在10工况下，左右悬置均存在应力过大的风险，左支架有6个工况的安全系数小于1，右支架有3个工况的安全系数小于1；其中在工况7状态下，左支架应力最大508.3MPa，安全系数0.32，远小于安全系数1.2的要求。

CAE分析结果显示应力最大的风险点与试验应力采集最大点一致，在8号采集点；工况7状态下安全系数远不能满足可靠性要求。

4、悬置支架故障件焊接状态分析

根据CAE分析及道路应力采集，失效模式二开裂故障点与分析结果相同；螺栓孔附近失效模式二不存在开裂风险，为进一步确认故障失效原因，对失效故障件进行撕裂试验及焊点分析。

焊接设计要求为6个焊点，焊点直径φ6mm，经对故障件焊点分析：6个焊点有2个焊点为假焊（焊透性差）；产生的主要原因是焊接时间和焊接加压时间短，使两层板之间熔化温度保持时间短，来不及完全熔接，从而降了低焊点连接强度。根据现场调查，焊接设备采用DN2-100座式点焊机。

针对故障件，焊点分析如下：

为验证焊接方式对焊点的影响，采用三组焊点撕裂试片（前悬置支架试片DC04三条：30X300X2)分别在DN2-100座式点焊机、悬挂焊机一次点焊钳和二次点焊钳上进行点焊连接试验。

试片焊点撕裂情况：

（1）座式点焊机试片：

焊点直径达到φ6mm、焊点撕裂有效熔合面为φ6mm，焊接电流为3500A、焊接时间为12（Cy）、加压时间为16（Cy）。

（2）一次点焊钳试片：

焊点直径达到了φ6mm、焊点撕裂有效熔合面为φ 6mm，焊接电流为11000A、焊接时间为12（Cy）、加压时间为16（Cy）。

（3）二次点焊钳试片：

焊点直径达到了φ7mm、焊点撕裂有效熔合面为φ 7mm，焊接电流为11000A、焊接时间为12（Cy）、加压时间为16（Cy）。

根据试片焊接对比分析，同等焊接参数：座式点焊机点焊、悬挂焊机一次焊钳和二次焊钳的点焊效果相同，区别在于悬挂焊机的焊接时间和焊接加压时间为设定后自动控制，对批量点焊参数一致性保持可靠。座式点焊机的焊接时间和加压时间的长短设定后，需要人为控制，批量生产时相对悬挂焊机操控稳定性差。

5、优化及整改验证

根据以上分析，悬置支架失效的主要原因是焊接未到位产生虚焊以及支架本身结构强度不足导致；针对悬置支架开裂失效模式的两个原因，开展优化分析：

1.调整焊接工艺，由座式点焊机调整为一次点焊钳；

2.优化悬置支架结构和材料，提升支架强度；材料由DC04优化为SAPH440，在应力最大处增加加强板结构。优化后结构如图8。

对于优化后的悬置支架，开展工况7状态下CAE分析，安全系数提升到1.3，满足设计目标；制做样件，开展台架试验，按照±2.5G加载，完成100万次台架可靠性试验，未产生开裂失效。完成两轮整车道路试验，折合20万公里，悬置支架未产生开裂失效。

6、结论

通过以上有限元CAE理论分析，结合焊接试验，确认导致裂悬置支架开裂失效的主要原因是支架结构强度和焊接工艺不满足设计要求。

针对失效模式产生的原因，优化悬置支架结构、材质和焊接结构，整改后的悬置支架安全系数达到1.3；经过台架试验及道路试验验证，有效的解决了支架失效。

[1] 孙靖民，梁迎春．机械优化设计[M]．北京：机械工业出版社，2009．

[2] 庞剑，谌刚，何华．汽车噪声与振动一理论与应用．北京：北京理工大学出版社，2006．

[3] 潘孝勇，柴国钟，刘飞，等．悬置支架的优化设计与疲劳寿命分析[J]．汽车工程，2007，29(4)：341-345．

由上表可以看出，即使是使用相同估计的频率响应数据，使用不同的模态估计算法，也会导致不同的结果。POLYMAX算法MPC计算值高于LSCE算法，POLYMAX算法估计模态可靠性更高。

4.2 仿真误差分析

仿真分析中误差首先是模态结构模型的误差。模态分析中的结构模型取的是线性数学模型，忽略了一些非线性因素对实际结构的影响。实际结构中存在的这些不确定非线性因素，在现有的线性模态分析数学模型中是不可能消除的。

其次就是模型离散化带来的误差。离散化精度与网格大小有关，网格越密集，自由度越多，精度越高。但网格密集后，计算效率就降低，工程中需要权衡计算精度与计算效率之间的利与弊。

再次是建模误差，有限元模型中的物理参数（密度、弹性模量、泊松比）不可能完全跟实际情况吻合，这之中必增大了分析结果与实际模型的误差。焊点的模拟误差，焊点采用ACM和CWELD方式模拟计算得到的模态频率值不一。

上表可以看出，使用ACM单元模拟焊点计算模态频率高于CWELD单元模拟焊点，CWELD焊点模拟刚度偏弱，这之中必定存在对计算结果影响的误差。

5、结论

模态分析误差实属正常，无论是试验模态还是仿真模态。在两者不太吻合的时候，工程师需理性的分析其差别产生的原因。

参考文献

[1] 高云凯.汽车车身结构分析[M].北京：北京理工大学出版社，2006:117-121.

[2] 李增刚，詹福良.基于Virtual.lab的结构模态相关性分析与优化[C].西安：LMS中国用户大会，2008.

[3] 仇彬，张代胜，张林涛.轿车白车身的有限元模态与试验模态分析研究.农业装备与车辆工程.

[4] 夏青松.轿车车身分析模态与试验模态对比研究.计算机应用.

Analysis and Optimization design of engine mounting bracket

Li Libo, Bai Long
（Anhui JiangHuai automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

Aiming at the failure ofengine mount bracket of a model of truck,effective solutions is put forward. According to CAE analysis of structure designand welding technics,the structure, material and welding technics are optimized. The reliability test results showed that the optimized engine mounting bracket was accorded to design.

engine mountingbracket; strength analysis; Optimal design

U467.2

A

1671-7988(2015)06-59-04

李立波，安徽江淮汽车股份有限公司工程师。