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发动机支架失效分析及改进

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.086

发动机支架失效分析及改进

徐萍，王化龙

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

摘 要：文章从结构设计、CAE分析、铸造工艺及热处理工艺等方面对发动机支架断裂进行了失效分析，查找到了

失效原因。针对失效原因进行了改进，最终取得了显著效果。

关键词：发动机支架；疲劳断裂；铸造；正火；CAE

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2016)08-251-03

Failure analysis and improvement of engine support

Xu Ping, Wang Hualong

( Shaanxi Heavy Automobile Co. LTD, Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract: From the structure design, CAE analysis, casting process and heat treatment process and other aspects of the

failure analysis of engine bracket fracture, we find out the causes of failure. The failure causes were improved, and the

remarkable results were achieved.

Key words: engine support; fatigue fracture; casting; normalizing; CAE

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)08-251-03

引言

市场反馈，某重卡车型发动机支架失效问题频发。调查

发现，发动机支架一端通过四条螺栓与发动机相连，一端通

过减震垫固定在车架纵梁上。发动机支架断裂后，将严重影

响发动机悬置系统稳定性。通过对售后数据的分类统计表明，

发动机支架断裂频高发于使用第3个月，首次故障里程在4

万公里，属车辆早期多发故障之一。

图1 发动机支架断裂位置 图2 发动机支架装配示意图 1、失效分析

1.1 理化检验

1.1.1 断裂位置及宏观断口观察

图3 失效件外观

对随机抽取的2件失效件外观观察，断裂位置均位于发

动机支架与减震器垫连接安装面附近、发动机支架弯曲处，

断裂面与支架肋板底面大致垂直，表面均有轻微氧化锈蚀。

断裂表面外观呈多源疲劳特征，裂纹源在零件筋板一侧，源

区附近多条台阶状起裂棱，说明该处应力较集中；扩展区具

有明显的贝纹线特征，支架安装面上方为最终瞬断区。

其中1#断裂面沿着支架宽度方向中心处，可见明显的长

条状（约9*1.5mm）、圆孔形（约￠4mm）缩孔铸造缺陷，

2#断裂面亦可见明显缩孔；两断裂零件断口疲劳源附近表面作者简介：徐萍（1984-），女，中级工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，主要从事质量改进工作。

徐萍 等：发动机支架失效分析及改进 252 2016年第8期

均未发现明显的磕碰、挤压等机械损伤。

1.1.2 尺寸检查

对两件失效件关键尺寸进行检查，均与图纸要求相符合。

1.1.3 硬度检验

沿断裂件断口附近支架宽度方向取样测量，两失效件表

面硬度平均值分别为169HBW5/750和170 HBW5/750。

1.1.4 化学成分

对断裂的发动机支架化学成分分析见表1，结果表明，

失效件材料化学成分均符合ZG270-500。 表1 断裂件化学成分（w，%）

1.1.5 组织

沿断裂件断口附近取样观察，两件失效件金相组织均为

铁素体+珠光体+残余铸态组织，为非正常正火组织，说明零

件热处理不良。

图4 断裂件金相组织

理化结果表明：失效支架尺寸、化学成分符合要求，但

正火不良。

1.2 生产过程调查

图5 冒口位置

图6 CAE分析

铸造设计过程中冒口的摆放位置如图5所示，冒口位置恰为断裂位置处。从工艺角度分析，设置冒口目的是要消除

缩孔，但必须估计到随之而来的负面影响，即构成工艺热节

和冒口颈处的砂尖角。故障件的断裂口反映出冒口未对铸件

起到补缩作用，反而使得热流在此处淤塞形成热节缩孔或冒

口颈缩孔。[1]

1.3 CAE分析

通过CAE分析7种工况模拟条件，结果表明，Z向受力

最大（上、下方向承重点），分析最大受力点与断裂位置一致，

为零件承重的弯矩最大处；在工况1时静态安全因子最小为

1.955，其他工况下静态安全因子集中在2-3之间。

综合零件装配位置，断裂处恰为背板与安装面过渡变截面

区，无圆弧过渡，应力较为集中；且筋板宽度仅为10mm，该

处承载车辆运行过程的震动，为弯矩最大处，其有效承载力截

面积相对较小，二者综合产生应力集中，造成最终疲劳断裂。

2、整改措施

2.1 结构优化

针对支架背板结构斜筋与安装面连接处有效承载力截面

积相对小，过渡圆弧不明显，对此处结构进行优化，加强背

板上的加强筋，通过大圆弧过渡，提高力学性能，同时有效

减小该处应力集中。

A、支架背板加强 B、增加圆弧过渡 C、加强筋 图7 改进前、后示意对比图

2.2 CAE分析

对改进后结构进行模拟分析，对比原结构，改进前后支

架的最小静态安全因子分别为1.955、3.059，第1种工况条

件下，最小静态安全因子为改进前结构的1.6倍；其他工况

下安全因子均远高于改进前。

2.3 生产工艺变更

经过工艺对冒口位置的调整，通过对铸件的解剖及加工

验证，原断裂位置的缩孔缺陷有所改善，提高了力学性能。

图8 CAE分析改进后零部件 （下转第264页） 张芳 等：车车事故再现方法研究 264 2016年第8期

不确定度的影响最大；第二、第三阶段产生的影响较小。与

实际过程中，两车在碰撞接触过程中能量损耗最大一致，且

由于碰撞前制动时间短、碰撞后汽车滑行距离短而消耗的能

量小一致。

3、上述三种方法都可以得到车辆事故车速的合理取值范

围，当制动距离取定值时，其展伸不确定度偏大，以定值分

析法为比较基准，运用不确定度分析法，甲乙两车取值范围

分别缩小9.8%、4.8%，运用PC-Crash仿真分析法，甲乙两

车取值范围分别缩小45.9%、53.5%。其中当制动距离取值最

小（或偏向最小值时），运用定值分析法获得的取值区间的最

大值更接近于PC-Crash仿真分析法的优化值（如甲车），其

中当制动距离取值最大（或偏向最大值时），运用定值分析法

获得的值区间的最小值更接近于PC-Crash仿真分析法的优

化值（如乙车）。

4、结论

（1）论文中用三种车速再现方法对一起深度调查案例进

行事故再现。这三种方法都可以估算出合理的车速范围，对

车车事故的事故重建是可行的，针对事故分析的不同诉求选

择快速有效的分析方法。

（2）通过定值分析法和不确定度分析法的比较，针对不

同的事故过程应有效的选择数据分析方法，以免使得事故分

析结果偏差过大。 （3）Pc-Crash仿真再现需要输入大量的仿真参数，事故

建模和计算耗费的时间长，但是仿真精度高，能较好地还原

事故过程。通过不确定分析法分析过程可以更好的了解碰撞

三个阶段的能量消耗，有助于事故再现的参数调整和理解，

快速取得合理的仿真结果。

（4）本文只针对一起车车正面碰撞事故进行了分析，其

他类型碰撞事故未考虑，需后续深入研究，验证是否也具有

上述影响规律。

参考文献

[1] 袁泉，李一兵．车辆交通事故再现能量方法的不确定评定[J]．中

国公路学报，2002，23:230—232.

[2] 许洪国，高蔚，苏键，等．汽车交通事故碰撞速度多值问题的研

究[J]．中国公路学报，1996，9(1)；87—93．

[3] 刘智敏.不确定度及其实践[M] .北京：中国标准出版社，2000.

[4] 国家质量技术监督局计量司. 测量不确定度评定与表示指南[M].

北京：中国计量出版社，2000.

[5] Kiefer, Aaron. A Comparison Study Between Pc-Crash Simulation

and Instrumented Handling Maneuvers[J]. SAE Paper. 2011：2-3.

[6] Hourdos J, Garq V. Accident Prevention Based on Automatic

Detection of Accident Prone Traffic Conditions[J]. SAE Paper.

2009：1-6.

[7] 邹铁方，刘雨，刘平凡，等. 汽车—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（1）:105-110.

（上接第252页）

图9 浇铸口改进后位置

2.4 热处理工艺改善

由于安装面与背板尺寸较厚，若在正火处理过程温度或

保温时间不足，由于没有完全奥氏体化，使得铸态的粗晶和

晶内的针状铁素体没有完全溶化，故保留了原始的残余铸态

特征。试验表明，铸钢残留铸态组织对抗拉强度和延伸率影

响不大，但对冲击韧性影响极大，脆性较大。[2]通过调整，

将正火热处理工艺定为880℃保温4小时，基体组织达到标

准要求。 3、改进效果跟踪

自发动机支架改进切换后，未发现改进后的支架断裂，

改进效果显著。

4、结语

1）发动机支架尺寸、成分均符合标准要求，造成其疲劳

失效的主要原因为结构设计强度不足，其次为铸造及热处理

工艺不良。 2）通过零部件结构、铸造冒口位置及正火工艺的改善，

结合CAE的模拟分析，确定改进后的方案，支架使用后改善

结果显著。

参考文献

[1] 陈国桢,肖柯则,姜不居.铸件缺陷和对策手册.[M]机械工业出版

社,1996. [2] 白培谦.St52-3铸钢非正常正火的组织和性能.[J].理化检验-物理

分册,2007（43）:609-610.

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发动机凸轮轴轴承盖失效及改进分析

发动机凸轮轴轴承盖失效及改进分析

发动机凸轮轴轴承盖失效及改进分析

摘要：发动机凸轮轴轴承盖的结构设计和强度分析在发动机开发之初起着非常重要的作用，为了避免凸轮轴轴承盖疲劳断裂导致发动机报废，在前期设计时，必须进行强度分析。本文以某款发动机轴承盖断裂事件为例，对失效件进行材料分析、断口分析和显微组织分析，并采用tycon、abaqus和femfat分析软件进行疲劳计算分析，最终提出合理的改进方案，经过对比分析计算和可靠性试验验证满足要求，为今后发动机开发提供参考依据。

关键词：轴承盖、强度分析、失效分析

1 主要内容

某款发动机500小时可靠性试验台架运行55小时，凸轮轴轴承盖发生断裂失效（图1）。

图1

2试验分析

2.1 化学成分检测（gds光谱法）

2.2 硬度检测

标准要求hb为75～100，实测结果为hb88.2，符合要求。

2.3 断口分析

断口见图2，断裂起源于箭头所示一侧。在扫描电镜下观察，裂

源处未发现铸造缺陷，断面上有疲劳辉纹，见图3。综合断口分析结果认为该轴承盖为疲劳断裂。

图2

图3

2.4 显微组织分析

显微组织为：α-al+（杆状、针状）共晶si，未发现过烧现象，见图4。

图4100x

2.5 试验结论：

2.5.1、轴承盖为疲劳断裂；

2.5.2、轴承盖的硬度符合技术要求，显微组织无过烧现象，t6处理正常；

2.5.3、从显微组织中共晶si呈杆状、针状的分布形态分析,该轴承盖在铸造时未进行变质处理，建议对该件在铸造时进行变质处理，以提高强度；

2.5.4 校核设计强度，必要时可适当增加断裂处的厚度，以提高强度。

3改进措施

3.1具体方案

根据试验结论在现基础上螺栓孔处增加2mm厚度，同时对比加锶与不加锶两种方案。

基于悬置支架动刚度分析的整车NVH性能分析及改进

基于悬置支架动刚度分析的整车NVH性能分析及改进

基于悬置⽀架动刚度分析的整车NVH性能分析及改进

[摘要]动刚度指标是动⼒总成悬置⽀架等底盘零件NVH性能评价体系中的重要考核内容，基于有

限元分析⽅法, 利⽤Altair RADIOSS软件的模态频率响应⽅法对悬置⽀架关键点的动态特性进⾏

分析，可以得到相关零件的动刚度曲线。通过对关键点进⾏动刚度分析,可以为车辆NVH性能改

进提供理论参考，缩短开发周期和降低开发成本，对于提⾼车辆NVH性能设计⽔平具有重要的

意义。

[关键词]悬置⽀架 动刚度 频率响应NVH

【Abstract】The index of dynamic stiffness is theimportant assessment for the performanceevaluation system of the chass pratssuch as powertrain mount bracket, based on method of

finite element analysis,the modal frequency response method of Altair RADIOSS software is

used toanalysis the dynamic characteristic of the critical points of the mount bracket.Dynamic

stiffness analysis is done through the critical points ,it can providethe theoretical reference for

the vehicle NVH performance, shorten thedevelopment cycle and reduce development costs. It

has the great significancefor improving the design capability of vehicle NVH performance.

发动机附件支架疲劳失效分析与结构优化设计

发动机附件支架疲劳失效分析与结构优化设计

第３期　２０１７年６　Ｊ　内燃机　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　Ｎ０．３　Ｊｕｎ．２０ｌ７　

发动机附件支架疲劳失效　

分析与结构优化设计　

张杰。王　勇。郑国世。朱娟娟。许超，程建德　

（尔风康明斯发动机有限公司，湖北襄阳４４ｌ００４）　

摘要：介绍了某发动机卜电控线束支架疲劳失效分析与结构优化设计的过程和结果。根据应用匹配要求，在某发动机上增　加一个电控线束支架．首次设计的线束支架在道路试验中出现了断裂现象。对此，通过对支架失效原因的预测，并结合有　

限元分析和试验裁荷，在支架疲劳分析基础　，利用模态分析和谐响应分析，对支架共振状态下的疲劳应力和安全系数进　行计算，确定支架失效的主要原因　通过结构优化设计，消除了支架在发动机　作状态下的失效风险。　

关键词：附件支架；疲劳失效；模态分析；谐响应分析；结构优化设计　中图分类号：ＴＫ４１３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—６４９４（２０１７）０３—００２８—０６　

Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　

ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ　Ｂｒａｃｋｅｔ　

ＺＨＡＮｔ．Ｊｉｅ．ＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇ，ＺＨＥＮＧ　Ｇｕｏｓｈｉ，ＺＨＵ　Ｊｕａｎｊｕａｎ，ＸＵ　Ｃｈａｏ，ＣＨＥＮＧ　Ｊｉａｎｄｅ　（Ｄｏｎｇｆｅｎｇ　Ｃｕｍｍｉｎｓ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｘｉａｎｇｙａｎｇ　４４　１　００４）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｓ（‘ｌ’ｉｂｅｓ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ＆ｏｐｔ　ｉｍｉｚｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅ　ａｃｃｅｓｓｏｒｙ　ｂｒａｃｋｅｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｌｌｆ　ＯＥＭ．ａ　ｂｒａｃｋｅｔ　ｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｎｌｅｓｓ　ｗａｓ　ａｄｄｅｄ　ｏｎｔｏ　ｅｎｇｉｎｅ．Ａ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒａｃｋｅｔ　ｈａｐｐｅｎｅｄ　ｗｈｅｎ　ｉｔ　ａｔｔｅｎｄｅｄ　ｆｉｅｈ｜ｔｅｓｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ．ｓ０，ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ＆ｆｕｒｔｈｅｒ　ＦＥＡ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｍｏｄａｌ，ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｆａｔｉｇ￣【ｌｅ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ａｎｄ　ＦＯＳ（ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｓａｆｅｔｙ）ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｆａｉｌｕｒｅ．Ｔｈｅｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒａｃｋｅｔ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ＆ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｒｉｓｋ　ｗａｓ　ｒｅｍｏｖｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｃｅｓｓｏｒ）ｒ　ｂｒａｃｋｅｔ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ；ｍｏｄａｌ　ａｎａ１．ｙｓｉｓ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　

发动机喉衬失效分析

发动机喉衬失效分析

２００７年１１月　第２卷第４期　失效分析与预防　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ。２００７　Ｖｏ１．２。Ｎｏ．４　

发动机喉衬失效分析　

张栋，柴志刚　

（北京航空工程技术研究中心，北京１０００７６）　

［摘要］某发动机试车时解体，简体、喉衬等飞离发动机，综合分析确定喉衬是肇事件。喉衬爆飞前发生了高周振动疲　劳，疲劳裂纹起源于薄膜状冶金缺陷。喉衬的断裂导致工作温度异常升高，使钨合金骨架产生严重塑性变形，由原来的喇叭　口形状变成收敛的角锥状，造成内压剧升而爆飞。　［关键词］　发动机；喉衬；疲劳；高温变形；冶金缺陷　［中图分类号］　Ｖ２３１．９５　［文献标识码］　Ａ　［文章编号］　１６７３－６２１４（２００７）０４－００２６－０５　

Ｆａｉｌｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｔｈｒｏａｔ　Ｒｉｎｇ　ｏｆ　ａｎ　Ｅｎｇｉｎｅ　

ＺＨＡＮＧ　Ｄｏｎｇ．ＣＨＡＩ　Ｚｈｉ—Ｇａｎｇ　

（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｎｇ　１０００７６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ　ｔｅｓｔ　ｄｒｉｖｉｎｇ，ａ　ｊｅｔ　ｅｎｇｉｎｅ　ｗａｓ　ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｂｏｄｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏａｔ　ｒｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｐａ￣ｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ａｔ　ｔｈｅ　

ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ．Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏａｔ　ｒｉｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｅａｃｅ　ｂｒｅａｋｅｒ．Ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｈｏｃｋ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋ　ｈａｐｐｅｎｅｄ　

ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｒｏａｔ　ｒｉｎｇ　ｂｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｄｉｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋ　ｉｎｉｔｉａｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ｆｉｌｍ　ｆｌａｗ．Ｔｈｅ　ｔｈｒｏａｔ　ｒｉｎｇ　ｂｒｅａｋ　ｒｅ・　ｓｕｈｓ　ｉｎ　ａｎ　ａｂｎｏｒｍａｌｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｂｒｉｎｇｓ　ａｂｏｕｔ　ｓｅｖｅｒｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｌｆｒａｍｉｕｍ　ｆｌａｍｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ－