某驅(qū)動(dòng)橋氣室失效問題的分析及改進(jìn)

黃彤，張陽，何念恒，邊佳婷

（陜汽商用車有限公司研發(fā)中心，陜西 寶雞 721000）

引言

某驅(qū)動(dòng)橋彈簧膜片制動(dòng)氣室前期已在某款成熟車型上投放市場應(yīng)用，未反饋質(zhì)量問題，但其在應(yīng)用另一款車型時(shí)，在試驗(yàn)過程中頻繁出現(xiàn)氣室底部撕裂等氣室失效問題，針對(duì)此問題，在新產(chǎn)品投入市場前，對(duì)此問題進(jìn)行剖析，使產(chǎn)品性能進(jìn)行提升增強(qiáng)。

1 概述

根據(jù)整車可靠性試驗(yàn)反饋，某驅(qū)動(dòng)橋在試驗(yàn)過程出現(xiàn)氣室失效故障，故障模式如圖1所示，氣室底部通過螺栓與氣室支架連接處在試驗(yàn)過程中先出現(xiàn)螺栓松動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)底部開裂問題。在更換氣室后再次出現(xiàn)底部開裂問題，失效模式與前一次相同。該氣室前期已經(jīng)在市場上批量投放，出現(xiàn)過個(gè)例類似問題。區(qū)別在于，市場車輛較試驗(yàn)場路況較好，此次試驗(yàn)是在試驗(yàn)場強(qiáng)化路面進(jìn)行。

2 原因分析

2.1 失效件外觀分析

對(duì)故障件進(jìn)行分析，氣室整體無明顯磕碰跡象。觀察氣室開裂部位，端蓋沿安裝螺栓部位環(huán)形拉裂，正處于氣室端蓋應(yīng)力集中點(diǎn)。該端蓋厚度圖紙要求為3.0mm，實(shí)際測量為2.98mm，符合圖紙要求，具體檢測情況詳見圖2。外觀分析檢測無異常。

圖1 故障模式

圖2 檢測詳情

2.2 金相材質(zhì)分析

材料成分及金相組織檢測：對(duì)失效件前端蓋和加強(qiáng)板焊接部位的金相組織及材料成分進(jìn)行檢測，失效件金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度加強(qiáng)板8級(jí)[1]，未發(fā)現(xiàn)失效件金相組織存在異常；圖紙要求端蓋、加強(qiáng)版材料為SPHC，實(shí)際測量失效件材料成分符合圖紙要求。

圖3 檢測報(bào)告

2.3 產(chǎn)品振動(dòng)分析

此膜片彈簧制動(dòng)氣室為我司較為成熟的氣室。該氣室在設(shè)計(jì)時(shí)要求滿足正弦頻率為 67Hz，加速度 16g 的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證氣室振動(dòng)性能，對(duì)此氣室進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，氣室加速度 16g、67Hz 振動(dòng)頻率檢測試驗(yàn)報(bào)告如下。氣室符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 振動(dòng)性能檢測報(bào)告

2.4 氣室初始安裝角度的影響

根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，制動(dòng)氣室的安裝角度或安裝方式（即氣室軸線與地面的夾角）盡可能采用 90°垂直安裝，夾角越小安裝螺栓的承重力越大，容易導(dǎo)致端蓋出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象（≥45°為宜）。

根據(jù)三維以及實(shí)際裝車情況進(jìn)行檢測，中橋制動(dòng)氣室安裝后與地面的夾角約為 16°左右；后橋制動(dòng)氣室安裝后與地面的夾角約為 90°左右。但在實(shí)際試驗(yàn)過程中，中后橋氣室均出現(xiàn)氣室撕裂問題，因此判斷氣室角度非造成此問題的關(guān)鍵因素。

2.5 產(chǎn)品應(yīng)力分析及強(qiáng)度分析[2]

結(jié)合氣室臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)及整車試驗(yàn)路面比較復(fù)雜的情況，對(duì)中后橋氣室進(jìn)行靜強(qiáng)度，模態(tài)及疲勞分析。此次分析中，根據(jù)路面復(fù)雜情況，設(shè)定垂向沖擊加載為-20g，氣室支架與車橋連接處約束123456自由度，疲勞載荷選取完全正弦交變載荷進(jìn)行分析，結(jié)果如下所示：

2.5.1 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

中橋氣室底部和后橋氣室底部最大應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度280MPa，滿足靜強(qiáng)度要求，說明此撕裂并非一次性撕裂造成。

圖5 靜強(qiáng)度分析結(jié)果

2.5.2 疲勞分析結(jié)果

根據(jù)加載分析結(jié)果，氣室底部螺栓與支架連接部位存在應(yīng)力集中區(qū)域，垂向沖擊加載為-20g時(shí)，中橋疲勞壽命僅5.187E+3次，遠(yuǎn)小于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的1.0E+6次，因此可以確定造成氣室底部撕裂并非一次性撕裂，而是在持續(xù)振動(dòng)過程中出現(xiàn)的疲勞撕裂。

圖6 疲勞分析結(jié)果

2.6 分析結(jié)論

根據(jù)以上的檢測分析及試驗(yàn)信息，可以確認(rèn)氣室底部撕裂主要是由于車輛行駛過程中，氣室底部在綜合路況下的振動(dòng)情況比原始設(shè)計(jì)條件惡劣，氣室在持續(xù)振動(dòng)過程中出現(xiàn)了疲勞撕裂。

3 優(yōu)化改進(jìn)級(jí)

3.1 改進(jìn)措施

對(duì)氣室底部進(jìn)行加厚，底部厚度由3.0mm增加至3.5mm，同時(shí)對(duì)氣室進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，氣室腔體由272mm減至255mm，重量降至11.5kg。

圖7 氣室優(yōu)化

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，垂向工況、轉(zhuǎn)彎工況及制動(dòng)工況[3]下，中后橋氣室最小安全因子均大于2.5，滿足靜強(qiáng)度要求。

圖6 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

3.2.2 疲勞分析

疲勞工況下，中橋氣室底部最小疲勞次數(shù)均大于1.0E+006次[2]，滿足疲勞要求。

圖7 疲勞分析結(jié)果

3.2.3 實(shí)際道路試驗(yàn)

針對(duì)改進(jìn)后的氣室進(jìn)行10000km跟蹤路試，檢查氣室狀態(tài)確認(rèn)無異常。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)車輛氣室在實(shí)際振動(dòng)作用下的撕裂故障進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，為今后氣室設(shè)計(jì)過程中的理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了保障。由此次問題解決及分析過程可以確定，常規(guī)的沖擊載荷設(shè)置，并不能作為設(shè)計(jì)的唯一依據(jù)，需結(jié)合有限元分析、試驗(yàn)、實(shí)際道路的不同工況的驗(yàn)證來保證產(chǎn)品強(qiáng)度。對(duì)于高頻振動(dòng)部件，通過有限元分析，對(duì)應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分散，并通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)改變受力狀況，來對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行提升優(yōu)化，不可一味地按安全系數(shù)判斷產(chǎn)品強(qiáng)度。