前下控制臂總成常見失效模式探析

趙娟 付志輝

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

前下控制臂總成常見失效模式探析

趙娟 付志輝

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

汽車前下控制臂是汽車懸掛系統(tǒng)的重要組成部件,是懸掛系統(tǒng)的導(dǎo)向與支撐元件,其將作用在車輪上的各種力傳遞到車身上,并保證車輪沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。前下控制臂失效直接影響車輪的定位,降低行車的穩(wěn)定性與安全性。本文就目前微型商用車及部分轎車前下控制臂常見的失效模式進(jìn)行分析,以便能及時(shí)采取對(duì)策,減少問題發(fā)生,使汽車用戶獲得更好的安全性、舒適性與穩(wěn)定性。

前下控制臂 懸掛系統(tǒng) 失效模式 安全 舒適性 穩(wěn)定性

目前常見的前下控制臂有如下兩種結(jié)構(gòu)，橫臂式結(jié)構(gòu)(如圖1)與三角臂結(jié)構(gòu)(如圖2)。其整車裝配環(huán)境:橫臂式結(jié)構(gòu)一端是球鉸結(jié)構(gòu)與前懸掛連接，一端是橡膠襯套結(jié)構(gòu)與前軸連接，中間有與支撐桿連接的兩個(gè)安裝孔;三角臂結(jié)構(gòu)是雙襯套、單球較結(jié)構(gòu)，球鉸結(jié)構(gòu)與前懸掛連接，雙襯套結(jié)構(gòu)與副車架連接(或一端與前軸連接，一端與車架大梁連接)。

前下控制臂涉及的工藝有鍛壓、熱處理、機(jī)加工、塑料注塑、橡膠硫化、沖壓、焊接、電泳、裝配等。臂體、球銷、軸套合件為前下控制臂的三大部件，基本的工藝流程如下圖3所示:

了解了前下控制臂在整車上的作用、整車裝配環(huán)境與加工工藝流程，對(duì)我們理解其失效模式及失效機(jī)理就有了很大的幫助。下面就根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)探討分析前下控制臂的三大失效模式:前下控制臂斷裂，前下控制臂球球銷松脫、異響，前下控制臂軸套滑移。

1 前下控制臂斷裂,前下控制斷裂有多種模式

(1)擺臂軸套斷裂，失效模式如圖4所示，導(dǎo)致該失效模式出現(xiàn)在以上工藝流程圖中焊接球銷座/外剛套工序。該工序一般是先點(diǎn)焊定位、后氣體保護(hù)焊加固，也有通過工裝保證定位，直接氣體保護(hù)焊。失效的原因有兩種:一、只點(diǎn)焊，沒有氣體保護(hù)焊，焊接強(qiáng)度不足，這種失效模式承受力小，整車裝配完成后一旦下地，就無法承受整車子重量而斷裂，這種失效模式一般在整車裝配工廠就能發(fā)現(xiàn)，影響不到我們最終的汽車用戶。這種問題出現(xiàn)在先點(diǎn)焊、后加固焊的焊接設(shè)置工序中。二、氣體保護(hù)焊的焊縫焊偏，焊偏嚴(yán)重的情況，就是焊縫沒有起到加固的作用，類似于第一種原因。焊偏不是很嚴(yán)重的情況下，焊縫有融合，但是焊接的焊縫偏向控制臂支架一端或是軸套一端，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足，這種失效模式問題比較嚴(yán)重，因?yàn)樗赡芰鞯绞袌?chǎng)上，對(duì)最終的客戶造成安全影響。漏焊及焊接不牢固問題，需要在焊接工序采取措施，比如漏焊采取防錯(cuò)，取消點(diǎn)焊工序，直接工裝定位加緊后進(jìn)行氣體保護(hù)焊縫焊，這樣就不會(huì)出現(xiàn)漏焊失效模式。焊偏現(xiàn)象就是首先要保證定位準(zhǔn)確，焊接的相關(guān)參數(shù)調(diào)整到位，并對(duì)焊接產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，一般焊偏嚴(yán)重的情況，目視就可以檢測(cè)出來，焊偏不嚴(yán)重的情況，是需要進(jìn)行熔深檢測(cè)，也就是焊接工序的任何過程發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致焊接出現(xiàn)變異的情況都?jí)哼M(jìn)行焊縫的熔深檢測(cè)，控制好的焊接工廠一般是每班都進(jìn)行熔深檢測(cè)。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖6

(2)擺臂球銷座斷裂，這種情況要看球銷座的結(jié)構(gòu)。一種是球銷座頸肩處與擺臂支架焊接在一起的，它的失效模式如圖5，是在焊接工序出現(xiàn)的，失效原因兩種，是和(1)中擺臂軸套斷裂的情況是相同的，具體的采取應(yīng)對(duì)措施也是相同的。另一種是球銷座頸肩處鍛壓成型的，球銷座殼體斷裂，失效模式如圖6，導(dǎo)致該失效模式產(chǎn)生的位置出現(xiàn)在以上工藝流程圖中鍛壓工序，鋼材材料符合技術(shù)要求，零件在鍛壓過程中形成脫碳層，脫碳層在淬火時(shí)開裂，形成裂紋。球銷座殼體存在裂紋的情況下，控制臂的強(qiáng)度不足，承載能力下降，裂紋大的情況下，擺臂安裝后下地即斷裂，裂紋小的情況下，會(huì)流出市場(chǎng)，在用戶使用過程中斷裂。這種失效模式由于是微觀產(chǎn)生，在原材料方面、鍛壓過程、熱處理過程都有產(chǎn)生問題的可能，很難在生產(chǎn)過程控制，一般是采用在熱處理后進(jìn)行探傷檢測(cè)，以識(shí)別、隔離缺陷。

(3)擺臂臂體(支架)斷裂，擺臂支架斷裂也有兩種類型的斷裂。

三角臂結(jié)構(gòu)，斷裂模式如圖7，對(duì)故障件裂紋進(jìn)行電鏡分析，認(rèn)為該零件的是疲勞斷裂，疲勞源在擺臂支架的腰型孔處，但是車子的里程只有幾千公里，如果受力正常的情況下，不該出現(xiàn)這種模式，控制臂臂體受力正常情況下，是縱向力與測(cè)向力，球銷部分受到的來自輪胎上下跳動(dòng)產(chǎn)生的垂直力是橡膠襯套的變形來緩沖這部分力的，一般臂體不受垂直方向的力。經(jīng)過對(duì)進(jìn)行CAE分析，發(fā)現(xiàn)零件受正常的縱向力與側(cè)向力的情況下，零件的應(yīng)力集中區(qū)是在下控制擺臂軸套處，不會(huì)出現(xiàn)這種失效模式，如果加載了垂直力，零件的應(yīng)力區(qū)域和零件的失效區(qū)域是一致的，如圖8，由此可以判定該零件臂體受垂直力導(dǎo)致，根據(jù)零件的受力分析，橡膠襯套是通過自身變形來緩沖吸收垂直方向上的力的，那就說明橡膠襯套沒有起到應(yīng)有作用。這有兩種因素可以導(dǎo)致，一是橡膠襯套本身剛度大，沒有起到變形緩沖的作用，這種情況下應(yīng)該是橡膠襯套先開裂，但故障件橡膠襯套完好，所以不是橡膠本事的原因。二是橡膠軸套周邊被異物卡住，無法擺動(dòng)，垂直力根本傳不到橡膠襯套處，再看零件的表面，黑色油漆已脫，說明被異物比如寒冷天氣的冰雪等卡住導(dǎo)致。

圖7

圖8

圖9

圖10

預(yù)防這種控制斷裂的方式一是日常監(jiān)控橡膠襯套的剛度曲線，避免其自身失效，起不到變形緩沖的作用，二是在橡膠襯套周圍空間完全敞開，是異物卡不住，或者進(jìn)行封閉，使異物進(jìn)不去，從而使橡膠軸套能正常起作用。

橫臂式結(jié)構(gòu)，斷裂模式如圖9，零件斷為兩截，這種結(jié)構(gòu)由于整車底盤處該處承載力比較薄弱，導(dǎo)致該失效模式出現(xiàn)的情況一般是客戶開車過程中異常情況的。比如開車過程中撞到臺(tái)階或其他物體導(dǎo)致底盤受力異常產(chǎn)生的。這種模式零件質(zhì)量是正常的，需要顧客安全駕駛。

前下控制臂的斷裂失效模式，引起的后果很嚴(yán)重，前下控制臂是懸掛系統(tǒng)的導(dǎo)向與支撐元件，其斷裂失效，功能將完成喪失，失去了導(dǎo)向與支撐作用，車輪方向不受控制、前懸架直接趴下，如果是使高速情況下發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響到人員的安全，其嚴(yán)重度達(dá)到9/10級(jí)。

2 前下控制臂球銷松脫、異響

該種失效模式多產(chǎn)生在售后問題上，經(jīng)過前下控制臂松脫、異響故障件進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)零件球銷內(nèi)部或有泥水等雜質(zhì)進(jìn)入，或干涸、球頭銹蝕、部分油質(zhì)正常。球銷座結(jié)構(gòu)及球銷故障件件圖10。

根據(jù)零件的故障件分析，導(dǎo)致前下控制臂球銷松曠、異響的的

圖11

圖12

圖13

············原因主要有以下因素:

(1)防塵罩的密封性不好，防塵罩的唇口部位與球銷軸徑處配合不好，這個(gè)和防塵罩的結(jié)構(gòu)防塵罩的唇口制作精度、防塵罩橡膠的耐老化性都有關(guān)系，密封性不好進(jìn)了進(jìn)了沙石泥水破環(huán)內(nèi)部潤(rùn)滑脂，使球銷、塑料的球銷座早期磨損，出現(xiàn)球銷松曠異響。(2)球銷的加工精度，球銷的加工球面度不好，球銷容易早期磨損，尺寸過小球銷，也容易出現(xiàn)松曠、異響，甚至球銷脫出。這種模式是出現(xiàn)在球銷機(jī)加工的工序。需要控制機(jī)加工的精度。(3)球銷座壁厚不均，彈性件體積小受力后變形過大，球銷座耐久性能不佳，這個(gè)問題出現(xiàn)在塑料球銷座的注塑工藝，注塑模具有磨損或注塑過程壓力不足，有缺料現(xiàn)象。另外也和塑料球銷座的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。在設(shè)計(jì)或制作過程中盡量使球銷座的臂厚均勻。(4)潤(rùn)滑脂情況，潤(rùn)滑脂本身質(zhì)量不好，容易早期失效，起不到潤(rùn)滑、散熱的作用，另外在裝配球銷工序注入的潤(rùn)滑脂量不足，導(dǎo)致潤(rùn)滑、散熱的作用不良，都容易出現(xiàn)球銷配合處零件的早期磨損導(dǎo)致松曠異響產(chǎn)生?？刂茲?rùn)滑脂質(zhì)量、定量注脂是相當(dāng)必要的。(5)球銷鉚合蓋板工序，鉚合過緊，容易鉚裂，漏潤(rùn)滑脂，或鉚合力大，擺動(dòng)力矩大，都容易出現(xiàn)送松曠異響，鉚合過松，球銷也會(huì)出現(xiàn)松曠異響，所以鉚合工序的鉚合力也是很關(guān)鍵的過程控制參數(shù)。前下控制臂球銷松脫、異響的問題，是容易引起客戶極大抱怨的問題，部分功能減弱在嚴(yán)重度的級(jí)別里應(yīng)該可以達(dá)到7級(jí)，客戶也不接受該模式出現(xiàn)，所以了解其影響的主要因素，對(duì)零件的質(zhì)量控制也有了一定的方向。

3 控制臂軸套滑移

控制臂軸套滑移的失效模式如圖11所示，分析其失效機(jī)理:四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡分析:在制動(dòng)力F的作用下，擺臂受到力矩M的作用，繞擺臂軸套逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度;此時(shí)，軸套固定在前軸上，擺臂外鋼套受到的力大于軸套的壓脫力，外鋼套有位移，即軸套滑移現(xiàn)象，如圖12。外鋼套與前軸焊合件碰撞，產(chǎn)生異響。

根據(jù)以上分析，發(fā)現(xiàn)軸套滑移是軸套本身的壓脫力不足以克服所受的力產(chǎn)生的。軸套本身的壓脫力是在軸套合件壓裝工序產(chǎn)生的，這和壓裝時(shí)的壓裝力有關(guān)，更重要的是和外剛套與軸套合件的配合尺寸，軸套合件的剛度曲線，軸套合件的結(jié)構(gòu)相關(guān)，如圖13所示，橡膠襯套結(jié)構(gòu)與雙鋼套結(jié)構(gòu)。橡膠與外鋼套過盈配合，拔脫力2500N，改用雙鋼套結(jié)構(gòu)，通過鋼與鋼之間過盈配合，拔脫力能達(dá)到1萬牛以上，路試驗(yàn)證無滑移現(xiàn)象。

所以控制內(nèi)外軸套的尺寸、軸套合件的剛度曲線，采用可靠的結(jié)構(gòu)能有效控制軸套滑移問題的出現(xiàn)。該失效模式產(chǎn)生的后果是外鋼套與前軸支架碰撞、摩擦異響，是容易引起客戶抱怨的問題，其嚴(yán)重度達(dá)到6或7級(jí)。

4 結(jié)語

綜上，前下控制臂作為汽車底盤懸掛系統(tǒng)的重要組成部件，其主要失效模式斷裂、球銷松曠異響、軸套滑移，其造成的后果對(duì)客戶影響很大，斷裂將涉及人員安全，球銷松曠異響、軸套滑移導(dǎo)致異響也會(huì)影響到客戶的不滿抱怨。了解了前下控制臂的失效模式及其后果，那么就需要在優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品過程控制能力，增加有效檢測(cè)手段方面努力，以避免類似失效模式出現(xiàn)，從而保護(hù)汽車用戶安全，提高汽車的舒適性與穩(wěn)定性，提高客戶滿意度。