隨著社會的發(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者的青睞，與吸人眼球的新穎造型相比，消費者在購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)動機(jī)艙內(nèi)各零部件的維修保養(yǎng)，保護(hù)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)各零部件，隔離發(fā)動機(jī)噪聲和保護(hù)行人， 而作為固定和打開發(fā)動機(jī)罩的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)——發(fā)動機(jī)罩鉸鏈，它的強(qiáng)度和剛度對發(fā)動機(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過程中，發(fā)動機(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)動機(jī)罩側(cè)鉸鏈與車身側(cè)鉸鏈脫離，導(dǎo)致發(fā)動機(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，便引起整車匹配不合，從而尋致路試車在試驗過程中產(chǎn)生異響、干涉等問題。通過對鉸鏈斷裂路試車的檢查，發(fā)現(xiàn)故障車的發(fā)動機(jī)罩鎖二級未進(jìn)，發(fā)動機(jī)罩鎖無法處于二級鎖止?fàn)顟B(tài)，路試過程中發(fā)動機(jī)罩和尾門側(cè)鉸鏈會沿X向和Z向產(chǎn)生劇烈振動，以致車身側(cè)鉸鏈存在疲勞效應(yīng)。

工程實際中由于結(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。實驗表明，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)計等因素都會造成零件斷裂現(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

拉伸試驗 a

180 °彎心試驗b        彎心直徑

抗拉強(qiáng)度（Mpa）

下屈服強(qiáng)度C（Mpa）

斷后伸長率（%）

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：拉伸試驗規(guī)定值適用于縱向試樣，對拉伸試驗取10= 50mm，b=-25mm的試樣，即GB/T 228中P14試樣：彎曲試驗規(guī)定值適用于橫向試樣，彎曲試樣寬度6≥20mm，仲裁試驗時試樣寬度為20mm：屈服現(xiàn)象不明顯時，采用Rp 0.2。牌號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作用下可能會發(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到的缺陷部位。通過CAE分析軟件計算，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)

安裝點分布

在鉸鏈設(shè)計初期，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，鉸鏈安裝點前移，因此造成了車身側(cè)鉸鏈螺栓安裝點與鉸鏈軸銷三點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；安裝點形成的斜三角形尤其是后端的安裝點2置于軸銷安裝點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)動機(jī)罩側(cè)和車身側(cè)的兩個鉸鏈繞著鉸鏈軸銷產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)運 動，運動產(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，需對相似結(jié)構(gòu)的安裝面的寬度和軸銷大小進(jìn)行對比（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，因此可以借鑒對比結(jié)構(gòu)的尺 寸大小對斷裂鉸鏈進(jìn)行優(yōu)化。

限位結(jié)構(gòu)

為了滿足發(fā)動機(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)計結(jié)構(gòu)也不同，斷裂鉸 鏈采用的限位機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(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)

針對上述原因分析，在滿足碰撞法規(guī)要求的前提下，對鉸 鏈車身安裝面和安裝點進(jìn)行了優(yōu)化（如圖6所示），使安裝點 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)上對車身側(cè)鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)節(jié)優(yōu)化，同時借助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，對方案三和方案四的鉸鏈進(jìn)行路試驗證，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)動機(jī)罩鉸鏈前期設(shè)計

發(fā)動機(jī)罩鉸鏈包括安裝在發(fā)動機(jī)罩側(cè)的鉸鏈和車身側(cè)的鉸鏈。在鉸鏈開發(fā)驗證過程中，受布置限制發(fā)動機(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)計者的重視和關(guān)注。通過對車身側(cè)鉸鏈斷裂實際問題的分析、CAE強(qiáng)度計算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及路試驗證，發(fā)現(xiàn)車身側(cè)鉸 鏈安裝面與X向夾角和安裝點的布置對鉸鏈應(yīng)力大小的影響極為明顯，因此在前期鉸鏈布置時，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念運用到 鉸鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計中意義重大。

在車身側(cè)鉸鏈前期布置時，典型截面T04D是鉸鏈設(shè)計的關(guān)鍵截面，它反映了鉸鏈的安裝方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計思路（如圖7所示）?？紤]到發(fā)動機(jī)罩行人保護(hù)功能，其側(cè)鉸鏈安裝在發(fā)動機(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與翼子板的間隙要求所決定。

通過對以上問題的分析，提出如下幾點設(shè)計建議：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，鉸鏈兩個安裝點與軸銷安裝點盡量設(shè)計成等腰三角形，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)動機(jī)罩鉸鏈作為發(fā)動機(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)計鉸鏈?zhǔn)敲總€汽車開發(fā)者的目的。通過對斷裂鉸鏈的分析，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。