当前大多数越野车前悬架都采用双横臂结构，其主要部件控制臂作为悬架系统的导向和传力部件，不仅要将地面作用在车轮上的各种力传递到车架或车身，同时还要控制车轮按照规定的轨迹运动。

某越野车在耐久性道路试验过程中，多次出现控制臂开裂失效，而开裂的同时都伴随着焊缝的开裂，且每次开裂的部位都较为相似。如果是普通客户使用过程中出现这样的问题，将导致极大的人身安全问题和道路安全问题。本文通过研究其失效机理，进行了优化分析与改进。

控制臂开裂失效机理分析

随着顾客的要求越来越高，越野车对整车的舒适性和机动性都提出了更高的要求。具体到悬架系统，要求提供更大的跳动行程，提高越野车在越野路面的抗冲击能力和平均行驶速度，并且能够提供较低的悬架系统偏频，以提高舒适性。

某越野车在实际疲劳耐久路试中，在经历诸如制动、转向、过凸包和炮弹坑等极限工况后，控制臂出现开裂失效。从图1中可清晰地看到控制臂本体材料与焊缝都出现了开裂现象;从图2中可看到控制臂本体出现明显裂缝，但裂缝在焊接之处最为明显。

加强焊缝的焊接质量，从最初的分段焊接变为连续焊接，焊接后对焊渣等进行及时清理，该问题还是出现，并且没有缓解的迹象。

在设计之初，为保证控制臂的承载强度和耐久性，采用的是B510L高强度热轧钢板冲压焊接而成，其屈服强度可达355MPa，许用应力可达510MPa，限于冲压成型工艺，板材厚度选用3.0mm。

因为出现多起该现象，且都是在经过凸包、炮弹坑等极限工况后出现疲劳耐久失效，因此可判断是设计考虑不周;对CAE分析工况根据试验道路系数进行调整，重新施加载荷模拟该受力分析，发现该焊缝位置确实是应力最为集中的位置。

图3所示的CAE受力分析所显示的应力最大位置已经接近了B510L板材的屈服极限，此时的疲劳开裂将从材料缺陷处或承力最为薄弱的位置产生屈曲，进而变形开裂。

焊接作为钢结构中的重要工艺，直接影响产品质量好坏和结构安全;由于高度集中的瞬间热输入，焊缝在焊接过程中和焊后将会产生相当大的残余应力和变形，它不但可能引起热裂纹、冷裂纹和脆性断裂等工艺缺陷，使焊缝断裂，还会在一定的条件下严重影响焊件的强度和刚度;在疲劳变形过程中该局部应力释放，从而导致焊材开裂或微裂纹进一步变大，最终导致控制臂本体材料也出现开裂而失效;即使工作应力小于材料的许可应力，也会发生低应力脆断。

屈曲即失稳指结构承受的载荷达到某一临界值之后，当小于材料能承受的最大应力时，变形突然增大从而失去稳定性的现象。根据线弹性断裂力学理论，应力强度因子是重要的力学参量，它与远方加载的名义应力成正比，与裂纹长度的平方根成正比，通常可用下式表示：

Y函数为几何形状因子，它是和裂纹形状、加载方式以及试样几何形状有关的量。

根据断裂准则，当表证裂纹尖端应力、位移集中程度的应力强度因子KI达到某一临界值KG时，裂纹就开始失稳扩展。此临界值KG是一仅与材料有关的材料常数，称为材料的I型裂纹平面应变断裂韧度。发生低应力脆性断裂的条件为：KI=KG。

根据断裂的临界条件，可计算出断裂应力σC，确定加载应力小于σC，保证结构不发生脆性断裂。断裂应力σC一般是远小于材料屈服极限的，这是高强度钢焊接发生脆性断裂的原因，所以如何改进焊接质量和焊缝长度，都未能解决问题。焊缝在焊接后的冷却中产生局部应力集中和局部微裂纹属于难以控制的因素。

结构优化改进

考虑到材料厚度无法进一步增加，焊缝质量改进对开裂现象没有明显改善，因此从设计结构上进行进一步优化，将焊缝位置进行调整，避开应力集中处，设计后的数据外观如图4所示。

将控制臂本体的上下板材形状进行优化，将折弯尺寸加宽，使得焊缝位置处于结构上方，远离受力集中处。对该数据进行CAE强度分析，结果显示受力情况大有改善，如图5所示。

由于控制臂本体的上下板材折弯尺寸加宽，虽然局部应力仍达到337MPa，接近屈服极限，但已经不在焊缝位置。对改进后的控制臂采用同样的焊接工艺，进行疲劳耐久道路试验，问题没有再现，说明改进效果满足要求。

结语

1. 在控制臂发生失效后必须首先明确是设计还是焊接制造原因导致的产品失效。对于设计原因造成的失效应尽量从结构上加以改进而不是简单的用加补片、换材料、增加厚度乃至增加焊缝长度等明显增加零件成本的方法。改进后的方案在CAE分析对比中应力最大点比原始设计应有明显好转。

2. 焊缝不能处于应力集中位置，因为焊缝是边焊接边冷却，整条焊缝的冷却温度不会也不可能一致，这会产生局部应力以及局部微裂纹，而且难以控制，在疲劳变形过程中一旦局部应力完全释放会出现屈曲，导致控制臂开裂失效。对于底盘悬架其它受力部件来说，也是如此。