某車型驅(qū)動(dòng)橋后橋殼開裂分析

張清華

摘 要：某款車型在礦區(qū)山路行駛過程中，驅(qū)動(dòng)橋后橋殼在鋼板彈簧位置附近發(fā)生開裂，有齒輪油滲出，此失效后橋殼為鋼板沖壓件，通過氣體保護(hù)焊焊接而成，其主體為上下兩半沖壓件。本文主要對失效件斷口通過宏觀觀察、微觀分析、金相檢測，確定后橋殼開裂性質(zhì)，分析可能開裂的原因。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋后橋殼；鋼板彈簧；開裂；斷口分析

驅(qū)動(dòng)橋后橋殼是汽車重要的組成部分，它不但支撐著汽車的重量，將載荷傳遞給車輪，還承受制動(dòng)工況、驅(qū)動(dòng)工況、橫向工況、縱向工況及上下跳工況產(chǎn)生的力或力矩，并經(jīng)懸架傳遞給車身或車架。在汽車行駛過程中，由于道路條件的千變?nèi)f化，橋殼受到車輪與地面間產(chǎn)生的沖擊載荷影響，可能引起橋殼變形或開裂，甚至斷裂，因此驅(qū)動(dòng)橋后橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。同時(shí)其內(nèi)部裝有減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置及齒輪油，不但可以保護(hù)上述零部件受到外界的破壞，還可以通過內(nèi)部的齒輪油潤滑零部件之間的摩擦，降低零部件摩擦產(chǎn)生的溫度，提高其壽命，所以合理的設(shè)計(jì)制造驅(qū)動(dòng)橋后橋殼是提高汽車行駛穩(wěn)定性和操作性的重要措施，如驅(qū)動(dòng)橋后橋殼失效，會(huì)影響整車操穩(wěn)，甚至發(fā)生交通事故，威脅生命。

某款車型在礦區(qū)行駛過程中，驅(qū)動(dòng)橋后橋殼開裂，對失效件進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

1 宏觀觀察

驅(qū)動(dòng)橋后橋殼外觀及開裂位置見圖1，橋殼的開裂位置在橋殼背面，位于鋼板彈簧支座附件，與車輛前進(jìn)方向相反，沿橋殼周向分布，后橋殼表面為電泳黑漆處理，開裂區(qū)域附件未見撞擊、磕碰等異常損傷。在后橋殼上截取失效位置，外觀見圖2。

圖1 后橋殼整體結(jié)構(gòu)圖 圖2 失效樣件外觀

觀察斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口表面較為平整，有少量的塑形變形，端口上可觀察到較為明顯的疲勞源區(qū)和疲勞弧線，裂紋擴(kuò)展方向?yàn)檠睾髽驓ぶ芟?，瞬斷區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，后橋殼源區(qū)起源于焊縫區(qū)外表面一側(cè)。為進(jìn)一步對斷口進(jìn)行觀察，將斷口放于顯微鏡下進(jìn)行觀察，后橋殼源區(qū)起源于焊縫外表面一側(cè)，為點(diǎn)源特征，源區(qū)被少量油污覆蓋，但仍能觀察到明顯的疲勞輝紋，輝紋大小間距不等。疲勞擴(kuò)展區(qū)所占面積較小，而在整個(gè)斷口上瞬斷區(qū)所占面積較大，瞬斷區(qū)大部分區(qū)域因磨損而現(xiàn)光亮。

2 斷口微觀觀察

斷口經(jīng)超聲波清洗，去除雜質(zhì)及油漬后放在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，確認(rèn)微觀形貌，可以觀察到明顯的疲勞輝紋。源區(qū)附件為焊縫區(qū)，該區(qū)域存在較為嚴(yán)重的磨損，推斷為后橋殼開裂后形成。疲勞輝紋附近的高倍形貌，該區(qū)域?yàn)槠跀U(kuò)展前期，可以看到少量短小的疲勞輝紋，瞬斷區(qū)主要以韌窩特征為主，并伴有磨損特征。

3 金相分析

分別沿平行和垂直于斷口的方向即沿橋殼的橫向和縱向，制取橋殼基體的金相試樣，并進(jìn)行組織形貌觀察，主要為鐵素體和顆粒狀物且存在帶狀顆粒物偏析。

4 化學(xué)元素分析

去除失效件表面保護(hù)層，從失效件本體上取樣進(jìn)行化學(xué)元素分析，分析結(jié)構(gòu)如表1：

表1

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][元素（%）

要求

失效件][C

≤0.21

0.16][S

≤0.035

0.006][Si

≤0.3

0.11][Mn

≤1.5

1.18][P

≤0.035

0.007]

根據(jù)分析結(jié)果可知，失效后橋殼所用材料化學(xué)元素滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 分析結(jié)論

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，后橋殼開裂斷口表面可見明顯的疲勞輝紋，疲勞條帶特征，表明此開裂為疲勞開裂，疲勞源區(qū)起源于焊縫，橋殼在進(jìn)行氣體保護(hù)焊焊接時(shí)，焊縫處的金屬在冷卻時(shí)會(huì)收縮，往往在焊縫內(nèi)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，在較大的外力作用下容易醒焊縫邊緣發(fā)生開裂。

斷口的觀察結(jié)果表明，后橋殼開裂斷口成疲勞開裂特征，間距大小不等的疲勞輝紋表明開裂過程經(jīng)歷了受力大小不等的多個(gè)階段，裂紋源位于焊道處，為點(diǎn)源特征，裂紋源附件未見氣孔、夾雜和加工缺陷特征。金相組織分析表明，橋殼基體組織中含有帶狀顆粒無偏析，但偏析程度較弱，對橋殼疲勞性能影響較小。通過化學(xué)元素分析，失效件的化學(xué)元素滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

后橋殼工作過程中受力情況復(fù)雜，除了受彎矩的作用還承受扭矩作用，其疲勞壽命不僅隨沖擊載荷的應(yīng)力幅和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增大而減小，同時(shí)與所承受的應(yīng)力平均值的大小密切相關(guān)，應(yīng)力平均值越大，其疲勞壽命越短。失效汽車行駛在礦區(qū)地帶，路面路況較惡劣，橋殼受到的沖擊載荷幅值大大增加，造成后橋殼出現(xiàn)破壞。

綜上，后橋殼工作過程受到較大的應(yīng)力作用，在易于萌生裂紋，工作應(yīng)力較大的焊縫區(qū)域產(chǎn)生裂紋，裂紋產(chǎn)生后在變化載荷的作用下逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致橋殼疲勞開裂。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

后橋殼開裂位置位于焊縫處，且焊縫處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，汽車行駛過程中受到較大應(yīng)力作用，導(dǎo)致后橋殼失效。針對焊縫處開裂做如下處理：

①焊接完成后，對焊道進(jìn)行去應(yīng)力處理，如敲擊焊道、傳統(tǒng)的時(shí)效處理、局部熱處理等；

②增加焊絲的強(qiáng)度，提高自身的機(jī)械性能；

③優(yōu)化焊接方式，收弧起弧位置避開應(yīng)力集中或開裂位置。

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