空氣懸架驅(qū)動橋橋殼的故障模式及可靠性研究

鄒華

摘 要：本文對驅(qū)動橋橋殼在汽車使用過程中的故障原因進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化方案，并對橋殼可靠性進(jìn)行了試驗驗證。通過對故障件潛在失效模式進(jìn)行分析，找出了懸架結(jié)構(gòu)是影響橋殼故障的主要原因，建立了懸架橋結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元模型并進(jìn)行了臺架試驗驗證，提出了降低橋殼故障率的方法，有效提高了橋殼可靠性。

關(guān)鍵詞：橋殼 有限元分析 優(yōu)化方案 可靠性驗證

1 引言

橋殼作為驅(qū)動橋的重要部件，其主要作用是保護(hù)主減速器、差速器和半軸，保持左、右驅(qū)動輪的軸向相對位置固定，并支承車架及其上各總成質(zhì)量[1-2]，橋殼的性能直接影響汽車的有效使用。為了提高橋殼的可靠性，沈曄超等對橋殼堆焊可靠性進(jìn)行了研究[3]，盧劍偉等對路面隨機激勵下橋殼疲勞可靠性進(jìn)行了分析優(yōu)化[4]，張立春等建立有限元模型對橋殼的可靠性進(jìn)行分析，探究了各隨機變量對驅(qū)動橋殼可靠性的影響[5]， 郭冬青等利用有限元對驅(qū)動橋試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了分析和優(yōu)化[6]，張義民等應(yīng)用隨機攝動法對后橋殼進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計[7]。為此，本文針對橋殼在使用過程中出現(xiàn)下托板焊縫開焊開裂及橋殼焊縫端頭撕裂橋殼漏油等故障問題，對橋殼失效模式進(jìn)行分析，找出了懸架結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致橋殼出現(xiàn)故障的主要原因，通過對結(jié)構(gòu)受力分析，提出了在懸架結(jié)構(gòu)上加設(shè)增強橫梁以減小橋殼受力的方法，并建立懸架橋結(jié)構(gòu)的有限元模型及進(jìn)行臺架試驗分析研究，最后對優(yōu)化后的試驗車輛進(jìn)行可靠性試驗，有效提升了橋殼可靠性。

2 故障原因分析

通過對失效件的分析可知，橋殼的故障模式主要表現(xiàn)為橋殼下托板焊縫開焊及橋殼從焊縫端頭開始撕裂、橋殼漏油，而這主要是由于焊縫和橋殼熔合深度的不同，當(dāng)焊縫和橋殼熔合較淺時，焊縫開焊；焊縫和橋殼熔合較深時，橋殼撕裂引起漏油。但現(xiàn)在無法檢驗焊縫熔深，即使是剖切破壞，也只能看到一條水平線上的熔深，故無法從失效件去判斷焊縫熔深及影響?；诖?，根據(jù)實際情況提出了幾種可能引起橋殼下托板開焊開裂的原因，包括：橋殼材質(zhì)質(zhì)量影響、橋殼中段成型工藝對下托板焊縫壽命有影響、焊接參數(shù)對下托板焊縫壽命有影響、焊縫結(jié)構(gòu)及一致性影響、懸架結(jié)構(gòu)影響等。依據(jù)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對橋殼及焊縫的結(jié)構(gòu)和工藝臺架試驗，對材質(zhì)尺寸等進(jìn)行測量分析并對屈服強度等相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行了試驗，找出引起橋殼故障的主要原因。

2.1 材質(zhì)質(zhì)量影響

為了驗證材質(zhì)質(zhì)量的影響，進(jìn)行了失效件測量和試驗。測量了主減側(cè)、后蓋側(cè)橋殼與左右側(cè)下托板的尺寸及間隙發(fā)現(xiàn)，失效件橋殼與下托板尺寸及間隙大小均滿足要求，尺寸間隙不是下托板開焊和開裂的影響因素。并對失效件的C、Si、P等化學(xué)成分及鐵素體、珠光體等金相相性進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)失效件的成分及金相均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可知化學(xué)成分與金相也不是下托板開焊和開裂的影響因素。

2.2 焊接參數(shù)及橋段成型工藝影響

通過對橋殼中段成型工藝進(jìn)行臺架試驗后發(fā)現(xiàn)，失效件橋殼的力學(xué)性能對下托板的焊縫具有影響，對橋殼進(jìn)行冷壓試驗后，橋殼抗拉強度、屈服強度均偏高，且延伸率偏低，部分失效件不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，通過對焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后發(fā)現(xiàn)，在對焊縫進(jìn)行冷壓試驗時，在保持焊接速度一致的情況下，分別使用250A、300A、350A的電流對橋殼進(jìn)行臺架試驗，根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊接電流對下托板的焊縫具有影響，加大電流后臺架試驗次數(shù)提升，焊縫使用壽命提高。

2.3 焊縫結(jié)構(gòu)及一致性影響

考慮到焊縫一致性的影響，對焊縫的融合深度，焊縫均勻性進(jìn)行了冷壓及熱壓試驗，通過剖切焊縫對焊縫深度進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，失效件整體焊縫分布不均，焊縫呈曲線型，焊縫的一致性對下托板開焊和開裂具有影響。在對焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞試驗后發(fā)現(xiàn)，改變失效件焊縫結(jié)構(gòu)，如延長焊縫、采用U型焊縫、焊縫形式改為搭接焊及將下托板結(jié)構(gòu)做成8字型下托板外周圍焊或加長焊縫支腿內(nèi)孔圓周焊后與常規(guī)焊縫進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，調(diào)整后的焊縫結(jié)構(gòu)抗疲勞性能沒有明顯變化，焊縫結(jié)構(gòu)并不是下托板開焊開裂的影響因素。

2.4 懸架結(jié)構(gòu)影響

在對下托板進(jìn)行受力分析可知，下托板所受的力或力矩主要有兩個，一個是氣囊及減震器傳遞到橋殼下托板焊縫上的彎矩力，另一個是下推力桿傳遞到橋殼下托板焊縫上的彎矩力。其中氣囊及減震器受力點與焊縫存在力臂，導(dǎo)致在YZ平面內(nèi)存在一個繞X方向不斷變化的彎矩，氣囊及減震器對下托板產(chǎn)生下推力，受力點在焊縫上。選取常規(guī)結(jié)構(gòu)、取消下托板結(jié)構(gòu)、打緊焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，試驗過程中，托架、U型螺栓斷裂頻繁，和實際運行故障不符，判定此力不是影響下托板開焊開裂的主要原因。對懸架下推力桿受力位置分析時發(fā)現(xiàn)，下推力桿受力點與焊縫也存在一個Y方向上的力臂，導(dǎo)致在XY平面內(nèi)存在一個繞Z方向不斷變化的彎矩，受力點在焊縫上。對懸架橋單獨加載下推力發(fā)現(xiàn)時下托板失效模式和實際運行故障相同，可證明懸架產(chǎn)生的下推力傳遞給橋殼的力矩過大是導(dǎo)致下托板開焊及開裂的主要原因。

2.5 原因判斷

在對上述原因進(jìn)行驗證后發(fā)現(xiàn)：橋殼下托板開焊開裂的的主因是懸架結(jié)構(gòu)下推力桿，次因是橋段成型工藝對、焊接參數(shù)、焊縫一致性。

3 橋殼可靠性驗證

在確定橋殼下托板故障主因后，通過建立橋殼懸架結(jié)構(gòu)的有限模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析，并對優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺架試驗驗證，最后進(jìn)行試驗車可靠性試驗，有效證明優(yōu)化方案的可行性，解決了橋殼下托板開焊及開裂問題。

3.1 建立有限元模型

在建立懸架橋有限元模型時，橋殼單元類型為SOLID185，彈性模量為2.06GPa，泊松比為0.28，密度為7850kg/m3。對C型梁懸架橋及直梁懸架橋的原始方案與優(yōu)化方案的橋殼應(yīng)力進(jìn)行了對比分析。優(yōu)化方案為在懸架上增加橫梁，旨在改善橋殼受力，如圖1所示。

3.2 橋殼應(yīng)力分析

對于原始方案，板座焊縫靠近橋包側(cè)應(yīng)力均超過材料許用強度，與實際失效模式一致；為了減小懸架對橋殼的下推力，在懸架上增加橫梁后焊縫處應(yīng)力均有所降低，其中C型橋橋殼下托板焊縫處應(yīng)力最大降幅達(dá)69%，直橋橋殼下托板焊縫處應(yīng)力最大降幅達(dá)30%，極大改善了橋殼受力情況。

3.2.1 C型橋應(yīng)力分析

根據(jù)橋總成隨懸架變形情況對C型橋在垂向沖擊、側(cè)滑、制動三種工況下應(yīng)力進(jìn)行有限元分析如圖2～4所示，結(jié)果表明：三種工況下橋殼最大應(yīng)力出現(xiàn)在與懸架結(jié)構(gòu)相連接的下托板處。原始方案中垂向沖擊、側(cè)滑、制動三種工況下的橋殼下托板最大應(yīng)力分別為352MPa、366MPa、376MPa；增設(shè)橫梁的優(yōu)化方案中三種工況下橋殼下托板最大應(yīng)力分別為121MPa、115MPa、115MPa；優(yōu)化后橋殼下托板應(yīng)力減小了66%以上，改善了橋殼受力。

3.2.2 直橋應(yīng)力分析

在對直橋進(jìn)行垂向沖擊和扭轉(zhuǎn)工況下的橋殼應(yīng)力進(jìn)行有限元分析如圖5～6所示，兩種工況下橋殼最大應(yīng)力出現(xiàn)在與懸架結(jié)構(gòu)相連接的下托板處。原始方案中垂向沖擊和扭轉(zhuǎn)工況下的橋殼下托板最大應(yīng)力為474MPa和647MPa；增設(shè)橫梁的優(yōu)化方案中兩種工況下橋殼下托板最大應(yīng)力為407MPa和453MPa；優(yōu)化后橋殼下托板應(yīng)力分別減小了14%和30%，增設(shè)橫梁有效改善了直橋橋殼受力。

3.3 臺架試驗

將試驗橋與懸架總成后安裝在試驗臺架上，通過臺架對懸架橋加載一定的推力與拉力模擬整車工況。進(jìn)行臺架試驗驗證數(shù)據(jù)樣本數(shù)量不少于4，臺架試驗次數(shù)分別為70.28、94.56、72.58、90.56萬次，試驗次數(shù)均超過50萬次；試驗結(jié)果顯示樣件均未損壞，通過在懸架橋上增設(shè)加強橫梁，可以有效改善橋總成及橋殼受力情況。

3.4 可靠性試驗

為了驗證優(yōu)化方案的合理性，在懸架結(jié)構(gòu)上增設(shè)橫梁后對試驗車進(jìn)行了路面可靠性試驗，選取試驗車數(shù)量不少于3輛，行駛綜合路里程不小于10000km三個工況進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗車運行后試驗場統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，對懸架橋增設(shè)橫梁措施后，橋殼下托板未出現(xiàn)開焊及開裂情況，試驗滿足目標(biāo)要求，優(yōu)化方案有效可靠。

4 結(jié)論

（1）通過對橋殼下托板開焊開裂問題進(jìn)行分析，確定了懸架結(jié)構(gòu)為影響橋殼可靠性的主要原因。

（2）建立懸架橋結(jié)構(gòu)有限元模型并進(jìn)行臺架試驗發(fā)現(xiàn)：下推力桿受力導(dǎo)致下托板開焊開裂，增加橫梁后下托板焊縫性能顯著提高。

（3）有限元分析結(jié)果表明：原始方案中，C型橋及直橋板座焊縫處靠近橋包側(cè)應(yīng)力均超過材料許用強度，與實際失效模式一致；增設(shè)橫梁的優(yōu)化方案中焊縫處應(yīng)力均有所降低，其中C型橋側(cè)滑工況焊縫處69%，直橋扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力降幅達(dá)30%，增設(shè)橫梁有效減小了橋殼受力。

（4）對增設(shè)橫梁的優(yōu)化試驗車選取樣本數(shù)量不少于3且綜合路里程不小于10000Km路面試驗發(fā)現(xiàn)，各試驗車性能良好，未出現(xiàn)在規(guī)定時間規(guī)定里程上橋殼開焊及開裂問題，加設(shè)橫梁后橋殼可靠性滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐濱士，朱邵華．表面工程的理論與技術(shù)［Ｍ］．北京：國防工業(yè)出版社，2010．

[2]劉惟信．汽車設(shè)計［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2001．

[3]沈曄超，宋守許．基于汽車驅(qū)動橋殼再制造的堆焊可靠性研究［J］．中國機械工程，2013，24（5）：676-680．

[4]盧劍偉，王馨梓，吳唯唯．路面隨機激勵下輕型貨車驅(qū)動橋殼疲勞可靠性分析［J］．汽車工程，2016，38（1）：122-126．

[5]張立香，劉守榮．基于 ANSYS 的農(nóng)機底盤驅(qū)動橋殼可靠性分析［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（12）：37-45．

[6]郭冬青，張翠平，楊輝等．驅(qū)動橋殼的試驗?zāi)B(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計［J］．機械設(shè)計與制造，2015 （ 1） ：211-216．

[7]張義民，賀向東，劉巧伶．后橋殼的可靠性優(yōu)化設(shè)計［J］．車輛與動力技術(shù)，2002，（1）：42-47．