汽车发动机悬置支架的开裂及解决措施探究
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发布者：lunwenchina
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时间：2020年4月20日 11:00
李锦庭
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院）
摘 要：本文分析了某轻型汽车发动机悬置支架的开裂情况，分析了故障的发生原因，针对性的指出了相关的解决措施，咋计算验证的过程中确定最终的解决方案，以期为此后汽车发动机悬置支架开裂问题的解决提供更多的借鉴依据。
关键词：汽车发动机；悬置支架；开裂；解决措施
前言
作为发动机上最为重要的零部件，发动机支架可以固定发动机，并减低车架的传递振动。且发动机支架还可以连接整车与发动机部件，保证汽车行驶的安全性。在汽车行驶期间，在切应力与正应力的影响下，很容易发生断裂问题。某汽车公司采用了压铸铝合金的支架材料，汽车在行驶2370km后发生断裂问题，之后技术人员分析断口的宏观情况与材料的化学彩虹股份，在硬度测试与扫描电镜分析的基础上进行了理化试验，分析了断口形貌与断裂的实际原理，针对断裂问题的发生原因指出了完善的解决措施。
1.悬置支架结构与连接元件的性能特点
1.1结构与连接元件
在汽车悬置支架的发展过程中，根据其作用与自身的位置情况，悬置支架主要包括支撑型、悬臂型、U型等情况，且综合考虑悬置支架的刚度与强度要求，其一般采用钣金与铸铝件等材料。悬置支架主要利用螺栓连接车身与发动机，其中橡胶衬套与螺栓属于悬置支架中最为关键的传递力矩部件，因此应充分保证悬置支架的刚度、强度以及使用寿命等。橡胶衬套、液压衬套均属于悬置支架的组成部分，其中橡胶件与外观硫化结合，技术人员可以通过调节橡胶件的结构改变橡胶衬套刚度。同时，利用油液填充铝件与外管，橡胶件主要密封油液。同时，在改变衬套钢度时，技术人员应调节橡胶件结构与流道参数，通过内管与外管设置悬置支架。
1.2性能特点
根据汽车悬置支架的运行特点，良好的悬置支架应满足以下基本要求。一是可以弹性连接发动机总成与车身结构，且在悬置支架与车身的连接期间采用液压衬套与相较衬套，以充分承载与减震。二是刚度较强，可以具备支撑效果，技术人员一般利用螺栓在发动机总成上固定悬置支架一端，以充分支撑发动机总成。三是保证悬置支架的震动频率满足动态要求，避免车身与悬置支架出现共振问题。结合这些因素，技术人员在设计汽车悬置支架时，应保证其具备较大的刚度与强度；保证其具备合理的寿命；保证其振动频率大于600Hz，同时，悬置还应充分满足轻量化与工艺合理的基本要求。
2.汽车悬置支架开裂基本情况
某公司开发了质量0.99吨级的柴油载货汽车产品，预计年产量为5000台，此汽车采用全柴480发动机结构，最高车速可以达到120km/h，且在连接后桥驱动时采用了传动轴，动力总成采用三点式前后悬挂模式。在样车道试验期间，汽车在行驶2370千米后出现发动机悬置支架开裂问题。分析可知，在设计零部件图纸时，技术人员为了避免发动机前支撑钢管出现运动干涉问题，设计了弯道，增大了零部件的应力，以致在道路试验过程中引起疲劳损坏问题，导致发动机悬置支架开裂。为了避免此种故障问题的发生，技术人员增加了前支撑加固板，并改变了发动机前支撑梁的厚度，以免应力集中。在道路试验验证与理论分析的基础上，解决了故障问题。
3.故障原因分析
汽车在行驶2370千米后，发动机悬置支架开裂。发动机前支撑钢管出现断裂问题，初步猜测因疲劳破坏所致，断口表面呈粗晶粒状，为了验证猜想，技术人员重新校核计算结构，分析其正确性。
3.1分析结构设计CAE
技术人员发现发动机前支撑加固板的最大应力为194.8MPa，而应力为285MPa，可以满足目标值要求。且发动机前支支撑横梁最大应力为100.1MPa，而标准应力为188.3MPa，符合目标值要求。
3.2零部件局部修改后的CAE分析
为了避免发动机与发动机前支撑横梁的运动干涉问题，技术人员应微调发动机的前支撑横梁，增加弯道设计。微调之后，技术人员分析了发动机悬置支架情况，发现发动机前支撑梁的最大应力为225.6MPa，标准应力为188.3MPa，无法满足目标值要求，同时，发动机前支撑加固板的最大盈利为291.2MPa，标准盈利为285MPa，无法满足目标值要求。
深入分析可知，改变发动机前支撑横梁的形状，会增大前支撑横梁与加固板的应力。
3.3疲劳损坏的原理
在交变应力的影响下会产生疲劳损坏问题，且一般会经历形成疲劳纹源、扩展疲劳裂纹以及最后断裂的过程。当交变应力较大且超过一定使用限度后，金属中最大应力会发生循环滑移问题，微观裂纹形成，在扩散后形成宏观裂纹，最终导致断裂问题 [1] 。同时，在交变应力的影响下，宏观裂纹也会不断扩展，两表面的材料会在压紧与张开过程中反复使用，从而导致断裂。当断口表面光滑时，此区域在断裂前便已经开始扩展疲劳裂纹。裂纹尖端区域的裂纹会保持三想拉应力的状态模式，当疲劳裂纹扩展至一定深度后，会导致脆性断裂问题，断口表面的粗晶粒区域会属于发生断裂前的剩余截面。
综合分析可知，应力过大引起零部件疲劳破坏是发动机悬置支架断裂的主要原因。
4.解决措施
构件外形的影响、构件尺寸的影响以及构件表面质量的影响均属于疲劳极限的影响因素。一是构件外形的影响，使用期间构件外形出现突然的改变，比如前支撑加固板出现过渡变形问题等。二是构件尺寸的影响，通过进行扭转与弯曲试验可知，疲劳极限也会受到构件横截面尺寸的影响，比如发动机前支撑横梁的横截面等。三是构件表面质量的影响，其加工水平直接影响着构件的使用强度。
分析上述原因可知，在综合考虑部件性能与经济性的基础上，应制定合理的开裂解决措施。
一是在降低零部件应力的基础上，提高弯曲截面的系数，在考虑空间布置效果的基础上，加厚发动机前支撑横梁，由2毫米加厚至毫米。二是局部修改零部件的变形部分，在避开焊接位置的基础上，以免出现应力集中问题，及时修改发动机前支撑加固板的变形位置。
此后技术人员验证两种解决措施的可行性。
如果仅实施第一个措施，则发动机前支撑横梁的最大应力为177MPa，标准值为188.3MPa，满足目标值的设置要求。发动机前支撑加固板的最大应力为293.7MPa，标准值为285MPa，无法满足目标值要求。分析可知，发动机前支撑横梁的最大应力满足基本要求，但在加强发动机前支撑横梁后，最大应力得到提高，因此只采用第一个措施无法解决问题。
同时实施两个措施，发动机前支撑横梁的最大应力为165MPa，标准值为188.3MPa，满足目标值的设置要求。发动机前支撑加固板的最大应力为260MPa，标准值为285MPa，满足目标值要求。由此可见，在同时采用两个措施后，发动机前支撑加固板的变形问题得到解决，加固板最大应力与支撑梁应力均下降，可以满足目标值要求。同时实行两个措施，可以解决汽车发动机悬置支架的开裂问题。且也可以看出，焊接件中任何零部件结构的变化均会影响其他零部件的应力分布 [2] 。
5.试验验证
通过改造后，汽车通过了长度为6000千米的可靠性实验，悬置支架并未开裂，且销售一年多后，也没有发生此问题。
结束语
为了避免发生疲劳损坏问题，技术人员应深入分析引起疲劳极限的相关因素，在综合考虑制造工艺、零部件成本等因素的基础上，降低零部件的应力影响。且在焊接设计期间还应充分考虑各个零部件的相互影响，验证零部件改变对其他零件的应力影响，验证后冲洗校核任曦，以免因应力过大而引起疲劳损坏问题。通过解决汽车发动机悬置支架开裂问题，技术人员积累了更多的设计经验，并有效应用至此后的设计过程中。■参考文献
[1]邹铁方,刘雨,刘平凡等.汽车一摩托车碰撞事故车速及碰撞位置预估方法[J].中国安全科学学报,2015(25 ):105-110.
[2]于嘉腾.基于可靠性优化的机翼设计研究[D].沈阳航空航天大学,2015:
26-30.
