摘要：某車型開發(fā)中，快充線束固定支架在臺(tái)架搖動(dòng)耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)支架斷裂問題。為探尋支架開裂原因，對失效件進(jìn)行材質(zhì)分析、斷口分析、結(jié)構(gòu)分析、有限元CAE應(yīng)力分析，并結(jié)合臺(tái)架和實(shí)車應(yīng)力的測試情況，利用疲勞限圖進(jìn)行耐久驗(yàn)證。從材料和設(shè)計(jì)角度進(jìn)行優(yōu)化檢討對策方案，再利用疲勞限圖對對策品進(jìn)行實(shí)車耐久模式下疲勞可靠性的預(yù)測。最后，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化消除支架在臺(tái)架以及實(shí)車工作狀態(tài)下的失效風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：線束支架；失效分析；臺(tái)架和實(shí)車應(yīng)力測試；疲勞限圖；疲勞可靠性

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-06-30

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408017

1 前言

近年來新能源汽車突飛猛進(jìn)，電器系統(tǒng)向著集成化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的趨勢發(fā)展，整車線束越來越復(fù)雜，且物理布置空間有限，作為電動(dòng)汽車動(dòng)力輸出的主要載體，新能源線束成為影響整車性能和安全的關(guān)鍵部件之一［1］。與傳統(tǒng)的汽車相比，新能源車對線束的電氣性能、屏蔽性能、機(jī)械性能和耐久性要求更高［2］。如何將線束合理地布置在有限的空間中，并且確保實(shí)車在行駛過程中的耐久性能，就需要配套的線束固定支架。汽車在行駛過程中，若固定支架因?qū)嵻囶嶔ひ痖_裂，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致線束與支架摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致線束開裂引發(fā)起火的風(fēng)險(xiǎn)［3］。

本課題的研究背景是某新車在開發(fā)過程中，出現(xiàn)充電線束支架臺(tái)架測試斷裂失效的問題。針對此失效問題，本文從材料、零件結(jié)構(gòu)、有限元應(yīng)力，以及臺(tái)架和實(shí)車應(yīng)力等方面明確不良產(chǎn)生的原因，制定對策方案，并利用疲勞限圖預(yù)測對策品的耐久可靠性，縮短開發(fā)驗(yàn)證時(shí)間，為汽車開發(fā)過程中支架開裂分析及對策提供技術(shù)參考。

2 快充線束支架斷裂分析

21 快充線束支架斷裂背景

某汽車開發(fā)過程中，對快充線開展搖動(dòng)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，臺(tái)架L/O布置參考實(shí)車L/O，如圖1和圖2所示。先開始X向搖動(dòng)耐久測試，依次24 h/4 h/5 min，完成X軸向搖動(dòng)耐久測試；之后開始Z向搖動(dòng)耐久測試，搖動(dòng)至Z向34 033次（約2 h）時(shí)，1個(gè)支架線束正極固定處斷裂。

支架斷裂問題需要從多方面進(jìn)行分析，如材料強(qiáng)度、斷口失效、零件結(jié)構(gòu)加工、加載的應(yīng)力分布等。

22 材料強(qiáng)度分析

對失效零件進(jìn)行維氏硬度測量，通過維氏硬度與強(qiáng)度換算表推測材質(zhì)抗拉強(qiáng)度，確認(rèn)零件原材料加工是否按照圖紙要求。

測量結(jié)果表明，零件強(qiáng)度在545 MPa左右，滿足圖紙要求。

23 斷口失效分析

231 斷口宏觀分析

支架斷裂部位如圖3所示，斷裂發(fā)生在零件折彎部位，加強(qiáng)筋的末端。斷口中間已氧化發(fā)黑，兩邊發(fā)亮。初步判斷，中間部位的裂紋出現(xiàn)時(shí)間久，兩端的裂紋新鮮。初步推測中間先裂開后慢慢向兩端擴(kuò)展。

232 斷口微觀分析

斷裂微觀如圖4所示，斷裂位置距折彎線08 mm左右，斷裂截面加強(qiáng)筋部位出現(xiàn)明顯凹坑缺陷。

通過SEM掃描電鏡觀察，裂紋擴(kuò)展路徑如圖5所示。斷面有裂紋源、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)三個(gè)明顯的區(qū)域特征，確認(rèn)斷裂為疲勞斷裂。裂紋源至少兩處，均在斷面的上表面。兩條主裂紋最終在左側(cè)處交匯斷裂。

24 實(shí)物零件加工對比分析

抽取斷裂品同批次的零件、先行試作階段的零件和BASE規(guī)格三種實(shí)物樣品，對它們折彎處的表面加工狀態(tài)和倒角進(jìn)行測量對比分析，結(jié)果如圖6所示。

經(jīng)數(shù)碼顯微鏡放大觀察測量，斷裂品同批次的折彎倒角處有明顯折彎痕，距折彎痕08 mm處有損傷缺陷a和b，與圖4斷裂走向一致。折彎處的加工倒角測量結(jié)果如圖6所示：斷裂品批次的倒角為15 mm，不滿足3D數(shù)據(jù)2 mm要求，并且小于對比的試作品樣件和BASE品樣件。后續(xù)經(jīng)確認(rèn)，廠家模具加工精度不足，導(dǎo)致零件出現(xiàn)不滿足圖紙要求，并出現(xiàn)損傷痕。

25 支架斷裂處CAE受力分析

對支架進(jìn)行CAE受力分析，確認(rèn)支架的受力情況，結(jié)果如圖7所示。參數(shù)條件：搖動(dòng)段線束重量039 kg，線束重量1/2作用于支架Z向，經(jīng)CAE分析，支架受力情況如圖7c所示。支架斷裂處最大應(yīng)力的位置與斷口分析的裂紋源一致，應(yīng)力達(dá)到339 MPa＞材料屈服強(qiáng)度265 MPa。零件在臺(tái)架測試中，受力過大，發(fā)生屈服變形，經(jīng)過不停耐久測試最終發(fā)生斷裂。

26 臺(tái)架耐久與實(shí)車耐久應(yīng)力測試對比分析

用3枚應(yīng)變片分別貼于斷裂品同批次的支架折彎處，如圖8所示，分別是CH1、GH2、GH3。再將零件與對手件組合分別安裝于臺(tái)架和實(shí)車上，分別開展臺(tái)架和實(shí)車惡路測試（3個(gè)循環(huán)），采集應(yīng)力數(shù)據(jù)，得出該部位的實(shí)際受力情況，得到最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，從而計(jì)算出應(yīng)力幅值。再根據(jù)材料機(jī)械性能和耐久特性制作零件疲勞限度圖，預(yù)估該零件的耐久風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)車試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺绫?所示，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺绫?所示。

經(jīng)臺(tái)架和實(shí)車應(yīng)力測量，結(jié)果顯示（圖9）：臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)Ｊ街Ъ芗訌?qiáng)筋處應(yīng)力值在模式X1、X2時(shí)超過支架限值，因此會(huì)發(fā)生支架斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，與現(xiàn)狀出現(xiàn)的斷裂課題吻合。實(shí)車耐久各工況的應(yīng)力值均在材料實(shí)力值范圍內(nèi)，判斷實(shí)車耐久支架不會(huì)發(fā)生斷裂。由此可以得出，臺(tái)架耐久模式下的受力狀態(tài)大于實(shí)車模式。

27 斷裂分析匯總

從上面的分析結(jié)果得出，導(dǎo)致支架失效分原因有三種：

a.零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，支架斷裂位置出現(xiàn)較大應(yīng)力集中。

b.最大應(yīng)力超過材料本身的屈服強(qiáng)度。

c.零件模具加工精度不足，倒角不滿足圖紙，并且模具加工不良導(dǎo)致生產(chǎn)出來的零件有表面損傷。

3 對策及驗(yàn)證

31對策

針對以上結(jié)論，制定以下對策方案，并進(jìn)行分析驗(yàn)證。

方案一：材質(zhì)不變，支架斷裂部位的折彎倒角加大，由R2→R3。

方案二：材質(zhì)不變，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加翻邊處的材料，R角加大，由R2→R3。

方案三：材質(zhì)強(qiáng)度提高，由JSC440W變更為JSC590R。

32 驗(yàn)證

對以上三種對策方案進(jìn)行臺(tái)架、實(shí)車應(yīng)力檢證，并結(jié)合零件成型性方面的檢討，選出最優(yōu)方案，如表4所示。

對以上對策進(jìn)行分析，方案二優(yōu)化效果最優(yōu)，并且供應(yīng)商反饋零件成型有預(yù)見性，因此選擇方案二作為改善對策［4］。

目前該零件已量產(chǎn)，并且通過臺(tái)架耐久和實(shí)車耐久檢證，市場無不良投訴。

4 結(jié)語

目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)關(guān)注的是靜態(tài)工況下的受力載荷，往往忽略了實(shí)車在各種不同的路面工況行駛，會(huì)有交變應(yīng)力的存在，導(dǎo)致發(fā)生疲勞失效，疲勞失效是結(jié)構(gòu)件最為常見的失效方式。靜態(tài)失效和動(dòng)態(tài)疲勞失效存在一定的差異。一般靜態(tài)的應(yīng)力分析無法準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)件的失效。

本文以快充線束支架耐久斷裂為例，對斷口進(jìn)行失效分析，判斷支架為疲勞斷裂，并找到裂紋源。結(jié)合實(shí)物零件的檢測和零件載荷CAE受力分析結(jié)果得到，支架斷裂位置出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，雖然材質(zhì)強(qiáng)度滿足需求，但此處應(yīng)力超過設(shè)定材料的屈服強(qiáng)度，再加上零件實(shí)際制作過程中存在加工缺陷（模具損傷，倒角偏小），最終造成該部位出現(xiàn)疲勞斷裂。然后，追加臺(tái)架和實(shí)車的應(yīng)力測量，根據(jù)材質(zhì)特性曲線繪制零件的疲勞限度圖，再次驗(yàn)證零件的設(shè)計(jì)規(guī)格不滿足臺(tái)架的疲勞測試要求，有風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)找到的斷裂原因，進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，并再次通過CAE應(yīng)力分析，以及實(shí)物應(yīng)力測試，進(jìn)行疲勞性能的預(yù)估，找到最優(yōu)改善對策。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶定玲汽車線束固定支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇[J]蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，15（1）：36-38

[2]張亮汽車發(fā)電機(jī)上支架疲勞斷裂行為研究[D] 北京：北京交通大學(xué)，2019

[3]吳云飛某副車架懸置支架臺(tái)架失效分析及優(yōu)化[J]汽車工業(yè)研究，2022（3）：58-61

[4]吳相憲靜力_疲勞二準(zhǔn)則法計(jì)算零件的極限應(yīng)力及安全系數(shù)[J]煤礦機(jī)械，1986（2）：56-59.

作者簡介：

田莎，女，1987年生，工程師，研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程。