某乘用車后懸架空氣彈簧漏氣分析與改進

蔡其剛，畢世勛，胡鵬，何炎周

寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

隨著汽車技術的不斷發(fā)展更新，懸架技術也從傳統(tǒng)的被動式懸架走向更加智能化的主動式懸架，這期間空氣彈簧的成功開發(fā)，有效地解決了舒適性要求懸架剛度低、操控性要求懸架剛度高的矛盾。

空氣彈簧是在一個密封的容器中充入壓縮空氣，利用氣體可壓縮性實現(xiàn)其彈性作用。其最大的特點是自身固有頻率低，同時具有優(yōu)良的非線性靜、動態(tài)剛度特性，不但能夠有效地隔離低頻振動，而且承載范圍大。加裝高度調(diào)節(jié)裝置后，車身高度不隨載荷增減而變化，彈簧剛度可設計得較低，乘坐舒適性好。常見的空氣彈簧有兩種，一種是囊式，常用在商用車上；一種是膜式，常用在豪華轎車上。本文主要以膜式空氣彈簧作為研究對象。

空氣彈簧的工作原理為：空氣彈簧是在密閉的壓力缸內(nèi)充入氣體或者油氣混合物，使腔體內(nèi)的壓力高于大氣壓的幾倍或者幾十倍，利用活塞的橫截面積小于囊皮支撐環(huán)的橫截面積產(chǎn)生的壓力差來實現(xiàn)活塞的運動。由于原理上的根本差異，使得空氣彈簧相對普通彈簧而言，有著明顯的優(yōu)勢：速度相對緩慢、動態(tài)力變化不大(一般在1∶1.2以內(nèi))、容易控制，乘坐舒適性更好，可以根據(jù)不同路況實現(xiàn)車身高度的可調(diào)節(jié)；缺點是相對體積沒有螺旋彈簧小、結構復雜、成本高、壽命相對短。

1 問題來源

針對公司某即將投產(chǎn)的中大型SUV的前后主動懸架系統(tǒng)，整車耐久路試過程中(試驗里程9 759 km)發(fā)現(xiàn)左后懸車身姿態(tài)明顯偏低，輪眉高度異常，如圖1所示。進一步檢查發(fā)現(xiàn)，導致左后輪眉高度異常的主要原因為左后空氣彈簧漏氣。

圖1 左后懸輪眉高度異常

2 原因分析

2.1 空氣彈簧常見的失效形式

空氣彈簧在整車運行過程中，變形大，在多向載荷工況下處于復雜應力狀態(tài)，空氣彈簧的主要失效模式有三類：一是囊皮橡膠的老化，空氣彈簧在日積月累的冷熱交替環(huán)境下工作，囊皮會慢慢失去彈性，同時加上整車運行過程中交變載荷的反復作用，容易產(chǎn)生龜裂及疲勞破損。二是氣密性問題，包括囊皮與上、下安裝座的連接密封處，氣門嘴處及活塞總成的整個對焊圓周區(qū)域等都是薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生密封失效問題。但針對橡膠材料的問題，因現(xiàn)在的設計大多數(shù)都采用防護罩作為外部防護，可以顯著提升橡膠囊皮的使用壽命，故囊皮本身失效比較少見。三是電子氣泵、氣路分配閥，這兩個零件的薄弱環(huán)節(jié)都是電磁閥，電磁閥物理失效如回位彈簧剛度衰減、斷裂等，電氣失效如接線不良等都會引起故障。外顯的形式指的是氣密性問題，即漏氣。其他子零件如壓縮機、高度傳感器、儲氣罐等相對故障率較低。

關于第一種失效模式，即橡膠囊皮的老化破損，因其機制相對簡單，此處不作詳細描述。

第二種失效模式是活塞總成的注塑及(或)焊接工藝不良導致的焊縫開裂。例如注塑時間短，注塑量不足、翹曲、部分收縮和模穴的差異。注塑時間短及注塑量不足時，塑料未能完全填充模腔，在這種情況下存在焊接表面不完整的風險，可能導致焊接強度降低、密封性不足。注塑時間短還可能導致材料中含有空隙，空隙處容易產(chǎn)生裂紋導致產(chǎn)品失效。零件翹曲和收縮會直接影響產(chǎn)品焊縫尺寸和形狀，如果翹曲較小，可以通過壓緊產(chǎn)品，使得上下零件的焊縫處充分相互接觸，有助于使焊接表面正?；?但是如果翹曲太大，則需要熔化更多的材料以達到整圈焊縫全部熔化,這將導致零件上各段焊縫的焊接強度差異以及外觀問題。不同模穴的差異和磨損，如果焊接結果不穩(wěn)定，僅發(fā)生在一個模具中生產(chǎn)的零件上，那么可能模具已經(jīng)磨損;外形尺寸約80 mm×80 mm的零件，不同模穴生產(chǎn)的零件尺寸差異也可能會在0.2 mm左右。

第三種失效是焊接夾具問題及支撐和定位，檢查下夾具對零件是否存在無支撐或者支撐不良部分，并確保上下夾具的相對水平和對中。支撐和定位對于實現(xiàn)高強度焊接和精確裝配至關重要，不均勻的焊接強度、虛焊、泄漏，通常是由于焊縫以下的支撐不足導致。因此，不管是超聲波、熱板、振動、紅外、熱氣和激光塑料焊接工藝，都需要反復確認所有焊縫下方都有強支撐。有時因為零件特征，焊筋下方需要留有間隙，該間隙尺寸應小于3 mm,間隙較大時需要試驗驗證,且該間隙不應對焊縫產(chǎn)生重大影響。

2.2 漏氣源的排查

圖2為某中大型SUV后懸架空氣彈簧剖視圖。采用車載ECU對左后空氣彈簧充氣，靜置約15 min后，車高又重新下降至圖1所示的異常狀態(tài)。隨后，在車輛靜置狀態(tài)(四輪接地)下進行檢查，發(fā)現(xiàn)左側緩沖塊局部分離破壞，右側狀態(tài)正常，如圖3和圖4所示。

圖2 空氣彈簧剖視圖

圖3 左后減振器緩沖塊破壞

圖4 右后減振器緩沖塊完好

緊接著將車輛舉升起來(四輪懸空)，通過檢查發(fā)現(xiàn)，左后空氣彈簧內(nèi)空氣壓力僅剩余0.1 MPa，而右后空氣彈簧內(nèi)空氣壓力為1.2 MPa，由此可見左側空氣彈簧未能維持正常內(nèi)壓是導致左后懸輪眉高度異常的直接原因。

為了查明漏氣源，再次向左后空氣彈簧內(nèi)加入壓力為0.4 MPa的壓縮空氣 ，此時可以清晰地聽到漏氣聲。事實上，空氣彈簧漏氣具有很高的隱蔽性，為了準確地找到失效部位，對左后空氣彈簧的上、下端防塵罩進行了拆除，并使用肥皂水對整個空氣彈簧的柱體及其上下端部進行噴淋，發(fā)現(xiàn)活塞上部有氣泡持續(xù)產(chǎn)生，最終鎖定漏氣位置為左后空氣彈簧的活塞上部，如圖5所示。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，僅靠近月牙形定位銷側的半圓范圍內(nèi)的焊縫出現(xiàn)漏氣，剩余半圓范圍內(nèi)無漏氣現(xiàn)象。左后空氣彈簧漏氣區(qū)域如圖6所示。

圖5 左后空氣彈簧上端氣泡

圖6 左后空氣彈簧漏氣區(qū)域

2.3 漏氣原因推測

漏氣原因可能是以下兩種情況：

(1)左后減振器緩沖塊結構破壞，在垂向載荷往復作用下，緩沖塊剛度嚴重下降，進而使得輪心實際上跳行程超出設定值，結果左后空氣彈簧活塞與底部發(fā)生碰撞干涉進而導致活塞破壞失效，最后導致了左后空氣彈簧的漏氣。

(2)左后空氣彈簧活塞存在注塑及(或)焊接等工藝缺陷，在交變載荷作用下，內(nèi)部高壓氣體致使活塞破壞，進而導致左后空氣彈簧漏氣。

基于上述推測，對如下零件進行了逐一排查：

(1)左后懸架系統(tǒng)彈性元件：無破損(左后緩沖塊除外)；

(2)空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器：無損壞；

(3)副車架支架(空氣彈簧上端支撐面)相對高度：左右側無明顯差異；

(4)最后將左后空氣彈簧從車上拆卸下來，進一步檢查發(fā)現(xiàn)，與左后空氣彈簧上端配合的副車架支架安裝面平面度差，尤其是靠近空氣彈簧上端月牙孔一側的支撐平面有明顯的凹凸不平，如圖7所示。

圖7 左后空氣彈簧上端支撐平面

至此，發(fā)現(xiàn)了另一個可能的影響因子，即副車架支架平面度。為了驗證這個猜測，將左后空氣彈簧上端的橡膠軟墊加上，同時，將右側空氣彈簧上橡膠膠墊移除，并繼續(xù)搭載路試驗證。右后懸車身姿態(tài)出現(xiàn)異常下降問題，隨后給右側空氣彈簧充氣并使其恢復正常姿態(tài)，然后重新進行車高標定并繼續(xù)開展整車耐久試驗，試驗進行約1 h后，右后懸車身姿態(tài)再次異常下降。

接下來采用了與左側相同的排查過程，先拆除了右后空氣彈簧的上下端防塵罩，然后向右后空氣彈簧加入0.4 MPa壓縮空氣 ，并使用肥皂水對整個空氣彈簧的柱體及其上下端部進行噴淋，發(fā)現(xiàn)同樣是靠近月牙形定位銷附近區(qū)域的焊縫出現(xiàn)了大量持續(xù)性的氣泡，如圖8所示。

圖8 右后空氣彈簧上端氣泡

緊接著將該漏氣右后空氣彈簧拆除后，檢查副車架右側支架，同樣發(fā)現(xiàn)其靠近空氣彈簧上端月牙孔一側的支撐平面有明顯的凹凸不平，如圖9所示。而此時并未發(fā)現(xiàn)右側后緩沖塊結構有明顯破損，由此可以反推，并非是左側緩沖塊先開裂導致空氣彈簧漏氣。為了準確得到副車架支架的平面度參數(shù)，對該副車架支架的平面度進行三坐標打點測量，結果顯示左側支架平面度2.7，右側平面度2.5。由此可初步確認副車架支架平面度是導致空氣彈簧漏氣的一個重要影響因子。

圖9 右后空氣彈簧上端支撐平面

下面再分析上述提到的第二種可能性，即左后空氣彈簧活塞存在注塑及(或)焊接等工藝缺陷?？諝鈴椈苫钊捎孟鄬Τ墒斓膬啥问剿芰?PA6+GF50)對焊工藝， 首先，從有限元分析可以看出，腔內(nèi)高壓氣體將推動活塞向副車架支架面方向運動，此時需要支架面的支撐來提供反作用力，否則懸架上跳過程中產(chǎn)生的內(nèi)高壓力將反復拉扯沒有支撐區(qū)域的焊縫(圖10)，最終導致活塞的該焊縫區(qū)域疲勞開裂。

圖10 空氣彈簧與副車架支架貼合區(qū)域與非貼合區(qū)域受力剖切圖

隨后，對故障件的焊接失效區(qū)域進行剖切分析，分析結果顯示，融合深度均不小于0.6 mm，滿足設計要求。與此同時，對同批次樣件的注塑工藝參數(shù)、焊接工藝參數(shù)及總成爆破壓力等進行排查，結果均未發(fā)現(xiàn)異常(其中爆破力測試結果大于2.3 MPa，滿足1.8倍安全系數(shù)要求)。

3 臺架驗證方案設計與故障重現(xiàn)

結合路試結果及副車架支架的沖壓工藝水平，對平面度大于1及平面度小于1的兩組樣件分別進行測試。

3.1 臺架試驗條件的確認

空氣彈簧的耐久試驗條件不能簡單地等同于螺旋彈簧或者鋼板彈簧的驗證。同時需要搭載空氣彈簧控制單元(ECU)、空氣壓縮機及空氣管路等，空氣彈簧三級疲勞試驗譜見表1。加載頻率為0.5～1.0 Hz，一套樣件的試驗周期約15 d。

表1 空氣彈簧三級疲勞試驗譜

綜合考慮試驗費用及試驗周期，進一步將B、C兩組塊譜等效至A組塊譜之中(即將行程為80%及行程為57%的兩組塊譜全部等效至行程為100%的塊譜之中)，等效后的總循環(huán)次數(shù)為225 596次(總損傷為1.67×10)，一套樣件的驗證周期縮短至3 d。循環(huán)次數(shù)與等效損傷見表2。

表2 循環(huán)次數(shù)與等效損傷

先驗證副車架支架平面度大于1 mm的樣件,左側平面度2.91(圖11),右側平面度2.70(圖12)，作動缸從輪心處加載。如圖13所示，臺架搭建完成后，分別向左右空氣彈簧內(nèi)充入1.15 MPa壓縮空氣，試驗時，右側空氣彈簧上端不帶橡膠軟墊，試驗運行1 460個循環(huán)后即發(fā)生泄漏， 左側空氣彈簧上端帶橡膠軟墊，整個試驗(225 596次)結束后未見漏氣，僅橡膠軟墊有輕微損傷，且空氣彈簧內(nèi)氣壓僅降低了0.06 MPa。試驗結束后對右側漏氣件進行檢測，發(fā)現(xiàn)漏氣部位與整車耐久試驗位置一致，均出現(xiàn)在空氣彈簧上端內(nèi)側(車輛內(nèi)側)。

圖11 副車架支架(左側)平面度2.91示意

圖12 副車架支架(右側)平面度2.70示意

圖13 作動缸輪心加載示意

再使用空氣彈簧支架平面度小于1 mm樣件，即左側平面度0.73(圖14)，右側平面度0.63(圖15)進行測試。試驗時左右側均帶橡膠軟墊，全部試驗225 596次后未見漏氣。

圖14 副車架支架(左側)平面度0.73示意

圖15 副車架支架(右側)平面度0.63示意

3.2 方案小結

(1)在副車架支架平面度大于1的情況下，空氣彈簧帶橡膠軟墊的疲勞耐久性能遠遠優(yōu)于不帶橡膠軟墊的。

(2)副車架支架平面度大于1樣件匹配不帶橡膠軟墊的空氣彈簧，完全復現(xiàn)了空氣彈簧漏氣的故障模式。

(3)在副車架支架平面度小于1，同時左右空氣彈簧帶橡膠軟墊的情況下，空氣彈簧的疲勞耐久性能得到了顯著提升。

4 結束語

通常情況下，空氣彈簧的主要漏氣點為氣門嘴、氣囊、分體式活塞的焊接區(qū)域等。文中以剛體(活塞)與彈性體(囊皮)的組合結構為研究對象，綜合分析了空氣彈簧匹配件平面度及路面隨機載荷譜的動態(tài)擾動共同作用下，氣體(壓縮空氣)反復作用于活塞焊縫處的疲勞失效。驗證了匹配件不同平面度及橡膠軟墊對空氣彈簧疲勞耐久的影響。結果表明：當匹配件的平面度小于1時，能夠顯著提升空氣彈簧的疲勞特性；當匹配件的平面度大于1時，可以通過增加橡膠軟墊的方式來提升空氣彈簧的疲勞特性。