隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車作為一種舒適的交通工具得到越來越多消費(fèi)者的青睞，與吸人眼球的新穎造型相比，消費(fèi)者在購(gòu)車過程中更為重視汽車的安全性和質(zhì)量耐久性。如何使汽車零部件在其有效壽命內(nèi)滿足用戶需求，是汽車可靠性設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，而零部件本身的強(qiáng)度和剛度大小則直接影響著汽車的使用壽命。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩作為最醒目的車身構(gòu)件，是買車者經(jīng)常要察看的部件之一，其主要作用是方便發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各零部件的維修保養(yǎng)，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各零部件，隔離發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和保護(hù)行人， 而作為固定和打開發(fā)動(dòng)機(jī)罩的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)——發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈，它的強(qiáng)度和剛度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩發(fā)揮其作用有著非常重大的意義。

車身側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈斷裂問題描述

車輛在進(jìn)行26000km整車可靠性路試試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈車身側(cè)支架發(fā)生了斷裂現(xiàn)象（如圖1所示），并且發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)鉸鏈與車身側(cè)鉸鏈脫離，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)罩無法固定，汽 車行駛安全性受損。

原因分析

整車是由各零部件組成，通過零部件之間相互關(guān)聯(lián)、匹配，實(shí)現(xiàn)整車性能要求。零件在加工和裝配中由于制造、工裝、人為操作等過程不可避免地產(chǎn)生誤差，這些誤差累積最終反映在整車裝配中，當(dāng)累積誤差超過一定值時(shí)，便引起整車匹配不合，從而尋致路試車在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生異響、干涉等問題。通過對(duì)鉸鏈斷裂路試車的檢查，發(fā)現(xiàn)故障車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖二級(jí)未進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖無法處于二級(jí)鎖止?fàn)顟B(tài)，路試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)罩和尾門側(cè)鉸鏈會(huì)沿X向和Z向產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，以致車身側(cè)鉸鏈存在疲勞效應(yīng)。

工程實(shí)際中由于結(jié)構(gòu)或功能需要，零部件常設(shè)有孔或切槽結(jié)構(gòu)，使零件形狀發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)表明，在零件形狀發(fā)生突變區(qū)域應(yīng)力急劇增大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成零件出現(xiàn)裂紋甚至開裂。從圖1中可以看出，車身側(cè)鉸鏈斷裂位置位于軸銷安裝面與鉸鏈限位拐角相交處，是零件形狀突變處，極易產(chǎn)生應(yīng)力高 度集中現(xiàn)象。除此之外，零件材料本身強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素都會(huì)造成零件斷裂現(xiàn)象。

零件材料及厚度

車身側(cè)鉸鏈采用厚度為2.5mm的SAPH400鋼材料，其性能見表1。

 

表1 鋼板及鋼帶的力學(xué)和工藝性能

牌號(hào)

拉伸試驗(yàn) a

180 °彎心試驗(yàn)b        彎心直徑

抗拉強(qiáng)度（Mpa）

下屈服強(qiáng)度C（Mpa）

斷后伸長(zhǎng)率（%）

L0= 50mm  b= 25mm

L0= 220mm  b= 40mm

公稱厚度( mm )

<6.0

6.0~<8.0

8.0~<14.0

1.6~<2.0

2.0~<2.5

2.5~<3.15

3.15~<4.0

4.0~<6.3

≥6.3

<2.0

≥2.0

SAPH310d

≥310

≥185

≥175

≥33

≥34

≥36

≥38

≥40

≥26

0a

2a

SAPH370

≥370

≥225

≥215

≥32

≥33

≥35

≥36

≥37

≥25

1a

SAPH400

≥400

≥225

≥235

≥31

≥32

≥34

≥35

≥36

≥24

2a

SAPH440

≥440

≥305

≥295

≥275

≥29

≥30

≥32

≥34

≥34

≥22

3a

注：拉伸試驗(yàn)規(guī)定值適用于縱向試樣，對(duì)拉伸試驗(yàn)取10= 50mm，b=-25mm的試樣，即GB/T 228中P14試樣：彎曲試驗(yàn)規(guī)定值適用于橫向試樣，彎曲試樣寬度6≥20mm，仲裁試驗(yàn)時(shí)試樣寬度為20mm：屈服現(xiàn)象不明顯時(shí)，采用Rp 0.2。牌號(hào)SAPH 310的下屈服強(qiáng)度為參考值，不作為保證條件。

汽車零部件在路面載荷激勵(lì)作用下可能會(huì)發(fā)生疲勞破壞，因此疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一，通常發(fā)生在零部件表面的應(yīng)力集中部位，表面上或表面下已存在但難以被檢測(cè)到的缺陷部位。通過CAE分析軟件計(jì)算，車身側(cè)鉸鏈最大應(yīng)力值為94.45MPa，而最大應(yīng)力值出現(xiàn)在限位機(jī)構(gòu)切槽處，與斷裂位置一致，并且由表1中的材料性能可以看出，鉸鏈?zhǔn)褂貌牧蟂APH400的屆服強(qiáng)度不低于255MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)力值94.45MPa，因此可以初步判定，鉸鏈材料的選用是正確的， 缺口處的應(yīng)力集中是鉸鏈斷裂的主要原因。

零件結(jié)構(gòu)

安裝點(diǎn)分布

在鉸鏈設(shè)計(jì)初期，為了滿足車身側(cè)鉸鏈在shut gug上的安裝，鉸鏈安裝面與X軸的夾角φ=30。（如圖2所示），考慮到螺栓安裝工具的可操作性，鉸鏈安裝點(diǎn)前移，因此造成了車身側(cè)鉸鏈螺栓安裝點(diǎn)與鉸鏈軸銷三點(diǎn)連接成的三角形為斜三角形。此類結(jié)構(gòu)有以下缺陷：車身側(cè)安裝面過于傾斜，發(fā)動(dòng)機(jī)罩安裝后與翼子板之間的間隙段差調(diào)整困難；安裝點(diǎn)形成的斜三角形尤其是后端的安裝點(diǎn)2置于軸銷安裝點(diǎn)l之前，導(dǎo)致力的支撐不均衡，不利于力的傳遞，導(dǎo)致斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大。

 

軸銷安裝面寬度

鉸鏈軸銷安裝面尺寸示意圖如圖3所示。


從圖3中看出， 發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)和車身側(cè)的兩個(gè)鉸鏈繞著鉸鏈軸銷產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力作用在鉸鏈軸銷安裝面上，安裝面的寬度和厚度不同，作用力產(chǎn)生的效果也不盡相同。因此，需對(duì)相似結(jié)構(gòu)的安裝面的寬度和軸銷大小進(jìn)行對(duì)比（如圖4所示）。

從圖4可以看到，產(chǎn)生斷裂的車身側(cè)鉸鏈類似結(jié)構(gòu)中軸銷孔到安裝面邊緣最大尺寸為6mm，并且對(duì)比類似結(jié)構(gòu)的鉸鏈 和量產(chǎn)車型鉸鏈未出現(xiàn)斷裂情況，因此可以借鑒對(duì)比結(jié)構(gòu)的尺 寸大小對(duì)斷裂鉸鏈進(jìn)行優(yōu)化。

限位結(jié)構(gòu)

為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)罩開啟功能，在撐起的過程中鉸鏈都要設(shè)置限位功能，限位方式不同，鉸鏈的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也不同，斷裂鉸 鏈采用的限位機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)鉸鏈端頭設(shè)置限位機(jī)構(gòu)，相同位置下發(fā)動(dòng)機(jī)罩開啟角度越大，車身側(cè)餃鏈被切除部分越多； 相同開啟角度下，車身側(cè)限位機(jī)構(gòu)在X正向位置越靠后，車身側(cè)鉸鏈被切除部分越多，圓角與本體連接處強(qiáng)度越弱（如圖5所示）。研究表明，在缺口和形狀不連續(xù)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引發(fā)疲勞斷裂。通過分析發(fā)現(xiàn)，斷裂鉸鏈限位角度偏大， 車身側(cè)鉸鏈本體切除過多，急劇過渡，造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致鉸鏈在路試壞路時(shí)引發(fā)斷裂，因此在滿足總布置人機(jī)工程的前提 下，降低鉸鏈限位角度，圓滑過渡限位面與圓角相接處，優(yōu)化應(yīng)力分布。

方案分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對(duì)上述原因分析，在滿足碰撞法規(guī)要求的前提下，對(duì)鉸 鏈車身安裝面和安裝點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化（如圖6所示），使安裝點(diǎn) 連線組成正三角形，滿足工裝要求——鉸鏈安裝面與X軸的夾角控制在15°以內(nèi)，合理分配螺栓安裝點(diǎn)與軸銷孔的分布， 使之形成正三角形，增加鉸鏈剛度和強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上對(duì)車身側(cè)鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)節(jié)優(yōu)化，同時(shí)借助CAE強(qiáng)度分析軟件最 終確定解決方案。

具體方案如下：方案一，去掉中間加強(qiáng)筋；方案二，去掉 側(cè)面翻邊；方案三，圓角半徑增加至6 mm，調(diào)整限位機(jī)構(gòu)， 減少圓角過渡區(qū)對(duì)鉸鏈本身的切除；方案四，在方案三的基礎(chǔ) 上去掉側(cè)面翻邊。CAE分析計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2分析結(jié)果可知，降低車身側(cè)鉸鏈安裝面的傾斜度， 合理布置安裝點(diǎn)位置，能夠有效地優(yōu)化力的傳遞、降低最大應(yīng)力值，使最大應(yīng)力值區(qū)域避開了缺口和結(jié)構(gòu)過渡區(qū)域。方案三的應(yīng)力值最小，為了更好地降低鉸鏈開裂風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)方案三和方案四的鉸鏈進(jìn)行路試驗(yàn)證，兩種方案鉸鏈均未開裂?？紤]到發(fā)罩鉸鏈的行人保護(hù)功能，需弱化鉸鏈Z向剛度，因此方案四為最優(yōu)餃鏈結(jié)構(gòu)。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈前期設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈包括安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)的鉸鏈和車身側(cè)的鉸鏈。在鉸鏈開發(fā)驗(yàn)證過程中，受布置限制發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)鉸鏈需設(shè) 折彎結(jié)構(gòu)，鉸鏈臂的寬度和曲率大小直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)鉸鏈的功能和壽命，也是路試過程中開裂問題的易發(fā)區(qū)域，因此 引起設(shè)計(jì)者的重視和關(guān)注。通過對(duì)車身側(cè)鉸鏈斷裂實(shí)際問題的分析、CAE強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及路試驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)車身側(cè)鉸 鏈安裝面與X向夾角和安裝點(diǎn)的布置對(duì)鉸鏈應(yīng)力大小的影響極為明顯，因此在前期鉸鏈布置時(shí)，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念運(yùn)用到 鉸鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中意義重大。

在車身側(cè)鉸鏈前期布置時(shí)，典型截面T04D是鉸鏈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵截面，它反映了鉸鏈的安裝方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路（如圖7所示）?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)罩行人保護(hù)功能，其側(cè)鉸鏈安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈加強(qiáng)板上的焊接螺栓上。鉸鏈臂的彎曲曲率越大，鉸鏈?zhǔn)芰η闆r越好，強(qiáng)度越好，其大小最終由滿足鉸鏈開啟至最大角度時(shí)與翼子板的間隙要求所決定。

通過對(duì)以上問題的分析，提出如下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)建議：首先， 鉸鏈安裝面最佳方案是安裝在水平上，例如“大眾”途觀、 “長(zhǎng)城”H6，其車身側(cè)鉸鏈安裝面都接近于水平面。此方案不但利于工具安裝，還為后期間隙段差的調(diào)整提供了便利。如果結(jié)枸無法滿足水平安裝的要求，鉸鏈安裝面與水平面盡量控制在15°以內(nèi)。其次，鉸鏈兩個(gè)安裝點(diǎn)與軸銷安裝點(diǎn)盡量設(shè)計(jì)成等腰三角形，該結(jié)構(gòu)力的傳遞路徑最優(yōu)化，鉸鏈強(qiáng)度好。

總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)罩鉸鏈作為發(fā)動(dòng)機(jī)罩開關(guān)的關(guān)鍵零部件，其性能好壞直接影響客戶使用過程中的滿意度，因此合理優(yōu)化設(shè)計(jì)鉸鏈?zhǔn)敲總€(gè)汽車開發(fā)者的目的。通過對(duì)斷裂鉸鏈的分析，方案優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)安裝面和限位機(jī)構(gòu)缺口區(qū)域?qū)︺q鏈強(qiáng)度有著至關(guān)重要的影響，因此在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)做到外形合理化、力的傳遞最優(yōu)化、降低安裝面傾斜度、優(yōu)化限位機(jī)構(gòu)終止位置和正確布置加強(qiáng)筋，避免缺口形狀急劇過渡，產(chǎn)生應(yīng)力集中引發(fā)疲勞斷裂。