某車型后橋殼總成變形彎曲的分析研究

謝香衛(wèi)，玉勇志

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

后橋殼總成（以下簡稱橋殼）是汽車上的主要部件之一，非斷開式結(jié)構(gòu)又稱為整體式驅(qū)動橋橋殼。整體式驅(qū)動橋的橋殼起著支撐汽車載荷的作用，并將載荷傳給車輪。作用在驅(qū)動車輪上的牽引力、制動力、側(cè)向力和垂向力也是經(jīng)過橋殼傳到懸架及車架或車廂上，橋殼既是承載件又是傳力件。同時它又是主減速器、差速器及驅(qū)動車輪傳動裝置（如半軸）的外殼[1-2]。

在汽車行駛過程中，橋殼承受繁重的載荷，尤其是當(dāng)汽車通過不平路面時，由于車輪與地面間所產(chǎn)生的沖擊載荷，在設(shè)計不當(dāng)或制造工藝有問題時，會引起橋殼變形彎曲、滲油，更嚴(yán)重時會發(fā)生折斷。因此，設(shè)計時必須考慮在動載荷下橋殼有足夠的強度和剛度以及適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，保證主減速器、差速器等傳動裝置能正常使用而不受外力作用變形，保證橋殼具有足夠的使用壽命[1-2]。

1 橋殼故障分析

某微型貨車為前置后驅(qū)結(jié)構(gòu)，其后驅(qū)動橋的橋殼結(jié)構(gòu)采用中段鑄造兩端插管式。該車型橋殼在使用過程中出現(xiàn)中段橋包插管處變形彎曲滲油的問題，如圖1 所示，橋殼外表面可見的明顯變形彎曲和油跡，兩端半軸套管法蘭與中間的主減不在同一軸線上，兩端半軸套管法蘭低，中間主減高，半軸套管在圓周方向上，一端從減速器殼體插管孔處脫出，另一端擠入減速器殼體，從橋殼套管與減速器殼體插管孔處有可見縫隙，直徑1.2 mm 的鐵絲能插入，可插入深度約9 mm。

圖1 故障橋殼

對故障橋殼進(jìn)行切割分析，如圖2 所示，下半塊套管加工面全是油污、發(fā)黑與銹蝕的跡象圖如圖2（a）所示，使用抹布擦拭后，套管加工面靠近半軸套管法蘭的一側(cè)已生銹如圖2（b）所示；上半塊油污、發(fā)黑與銹蝕痕跡占加工面50%以上如圖2（c）所示，且上半塊已有明顯壓痕，壓痕位于減殼與套管配合的端面處如圖2（d）所示，由此可以判斷橋殼變形已持續(xù)一段時間，套管與減速器殼存在間隙造成套管機加工表面生銹、內(nèi)部齒輪油滲出。切割塞焊縫，套管與焊縫熔池邊界未見脫離痕跡，排除由于塞焊縫開裂引起的套管松脫。

圖2 故障橋殼切割

在故障件分析過程中，對零件原材料、零件加工尺寸、生產(chǎn)過程控制也進(jìn)行調(diào)查分析，在此文章不做詳細(xì)闡述，對于此橋殼變形彎曲問題著重從設(shè)計要求、臺架性能表現(xiàn)、制造偏差影響這些方面進(jìn)行分析研究。

2 分析驗證方法和結(jié)果

2.1 橋殼剛性和強度CAE 分析

如圖3 所示，該車型為整體式后驅(qū)動橋殼，中間為鑄造式減殼，兩端為冷拔無縫鋼管。這種結(jié)構(gòu)的橋殼，左/右套管過盈壓入減殼后再進(jìn)行塞焊，焊縫數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單。車型升級換代后，后輪輪距和板簧距更改，僅需要更改套管長度和彈簧座板焊接位置，開發(fā)周期短，工藝投資少，但是售后橋殼出現(xiàn)滲油或變形時，需要更換整個橋殼，更換成本較高，拆裝、調(diào)整、維修均不方便。

圖3 橋殼結(jié)構(gòu)

橋殼工藝路線為：左/右套管法蘭焊合件分別焊接→機加工套管外圓→減殼插管內(nèi)孔涂膠→過盈壓入減速器殼體內(nèi)孔→減殼與套管塞焊→后橋總成裝配后進(jìn)行100%試漏。根據(jù)式（1）和（2）[1]，套管外圓直徑因機加工減小1.5 mm 后，抗彎截面系數(shù)隨之減小，相同載荷下所受到的應(yīng)力增大，橋殼抗彎能力減弱。在減殼與套管過渡位置的截面積突變，在CAE 分析中應(yīng)力最大，同時橋殼的整體變形量大，橋殼承受垂直載荷時，該位置為薄弱點，容易出現(xiàn)變形問題。

從圖4 橋殼應(yīng)力云圖看，應(yīng)力最大位置就是在套管與減殼過渡位置，1 倍滿載軸荷最大應(yīng)力為96.185 MPa，根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)力與載荷成線性關(guān)系，因此，在2.5倍滿載軸荷下該位置的最大應(yīng)力為240.463 MPa，此時橋殼的強度安全系數(shù)為1.435，理論設(shè)計上強度安全系數(shù)滿足要求。

圖4 橋殼CAE 分析應(yīng)力

從圖5 看，橋殼在承受1 倍滿載軸荷時，最大變形量為1.520 mm。在QC/T 534-1999“汽車驅(qū)動橋 臺架試驗評價指標(biāo)”中要求，滿載軸荷時每米輪距最大變形量不超過1.5 mm[4]，該車型橋殼的最大變形量應(yīng)不超過2.279 mm，因此，橋殼剛性已滿足設(shè)計要求。

圖5 橋殼CAE 分析應(yīng)變

理論分析該結(jié)構(gòu)橋殼的強度和剛度均可以滿足使用要求，但是為何仍然出現(xiàn)變形彎曲的情況？此時就需要實際的臺架試驗驗證分析的準(zhǔn)確性，根據(jù)QC/T 533-1999《汽車驅(qū)動橋 臺架試驗方法》，驅(qū)動橋殼分別需要進(jìn)行橋殼垂直彎曲剛性、靜強度和疲勞試驗，下文具體闡述。

2.2 橋殼垂直彎曲剛性試驗

按QC/T 533-1999“汽車驅(qū)動橋 臺架試驗方法”進(jìn)行橋殼垂直彎曲剛性試驗[3]，如圖6 所示，3 件樣件最大變形量分別為2.107 mm、1.840 mm 和1.973 mm，低于標(biāo)準(zhǔn)QC/T 534-1999“汽車驅(qū)動橋 臺架試驗評價指標(biāo)”要求的2.279 mm，因此，該車型橋殼垂直彎曲剛性臺架結(jié)果符合設(shè)計要求。但是可以看出與理論分析的最大變形量1.520 mm 是存在差異的，這個是原材料的彈性模量、零件制造誤差、原材料的實際機械性能不同所引起，針對零件制造誤差做進(jìn)一步的分析研究。

圖6 橋殼垂直彎曲剛性試驗

2.3 橋殼垂直彎曲靜強度試驗

按QC/T 533-1999“汽車驅(qū)動橋 臺架試驗方法”進(jìn)行橋殼垂直彎曲強度試驗[3]，如圖7 所示，QC/T 534-1999“汽車驅(qū)動橋 臺架試驗評價指標(biāo)”中要求橋殼垂直彎曲失效后備系數(shù)不低于6[4]。三件橋殼按110 kN加載后卸載，樣件未損壞、無嚴(yán)重塑性變形，后備系數(shù)6.76，滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)要求。該車型橋殼垂直彎曲靜強度臺架結(jié)果符合設(shè)計要求。

圖7 橋殼垂直彎曲強度試驗

2.4 橋殼垂直彎曲疲勞試驗后變形量測量

按QC/T 533-1999“汽車驅(qū)動橋 臺架試驗方法”要求進(jìn)行橋殼垂直彎曲疲勞試驗[3]，如圖8 所示，在彈簧座板處施加2.5 倍滿載的垂向載荷，三件橋殼試驗至80 萬次后停止試驗，樣件未開裂，套管目視未見脫出。符合QC/T 534-1999“汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價指標(biāo)”標(biāo)準(zhǔn)的要求，中值疲勞壽命不低于80 萬次[4]。

圖8 橋殼垂直彎曲疲勞試驗

對完成垂直彎曲疲勞試驗的橋殼測量其變形量。如圖9 所示，用V 型塊支撐橋殼兩端半軸套管法蘭的扶位，調(diào)整、測量扶位高度，使左右扶位高度一致，調(diào)整后橋角度使主減連接法蘭垂直于檢測平臺，測量套管最高點高度：

圖9 橋殼變形量測量示意圖

測量點1：右側(cè)套管靠近法蘭頭環(huán)焊縫

測量點2：右側(cè)套管靠近減殼外邊緣

測量點3：左側(cè)套管靠近法蘭頭環(huán)焊縫

測量點4：左側(cè)套管靠近減殼外邊緣

測量結(jié)果見表1。

表1 橋殼疲勞試驗后變形量

從表1 的測量結(jié)果看，在2.5 倍滿載的負(fù)荷下，橋殼試驗80 萬次后，橋殼變形量仍滿足橋殼垂直彎曲剛性試驗要求（最大變形量不超過2.279 mm）。臺架驗證該設(shè)計結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求。故障橋殼的明顯變形彎曲，可以推測承受的載荷超過設(shè)計要求。

2.5 套管壁厚不均勻剛性和強度

零件在制造過程中會存在偏差，對故障件進(jìn)行切割測量，一個橫截面測量6 個點，套管壁厚差為0.12 mm。需要進(jìn)一步分析以便確認(rèn)制造偏差造成的壁厚不均勻是否對橋殼變形滲油有影響。

根據(jù)尺寸鏈計算和實際零件抽樣檢測數(shù)據(jù)，機加工后的套管壁厚差不超過1.4 mm。橋殼在使用過程中，上下方向所承受的載荷比前后方向大，因此，創(chuàng)建套管壁厚不均勻的三維數(shù)模，使套管上/下方向壁厚相差1.4 mm，前后方向壁厚差相同，對此結(jié)構(gòu)橋殼進(jìn)行強度與剛性的分析。1 倍滿載軸荷最大應(yīng)力為115.037 MPa（圖10），2.5 倍滿載軸荷最大應(yīng)力287.593 MPa，強度安全系數(shù)為1.2；1 倍滿載軸荷時，最大變形量為1.522 mm（圖11）。套管壁厚均勻與壁厚不均勻的橋殼，其變形量在CAE 分析上基本無變化，因此，套管壁厚不均勻量在一定范圍內(nèi)時，橋殼剛性基本無影響，但是橋殼套管應(yīng)力增加19.6%，2.5 倍滿載下的強度安全系數(shù)從1.435 降低至1.2。套管制造誤差造成的壁厚不均勻量越大，橋殼的強度和疲勞壽命會降低，長期超載或在不平路試上行駛的沖擊載荷，橋殼可能提前出現(xiàn)彎曲變形。

圖10 壁厚不均勻橋殼CAE 分析應(yīng)力

圖11 壁厚不均勻橋殼CAE 分析應(yīng)變

從以上分析看，該故障橋殼，套管壁厚差僅為0.12 mm，不是橋殼變形的主要原因。

2.6 研究橋殼變形量

套管與減殼在設(shè)計上是過盈配合，套管壓入減殼內(nèi)孔的力的大小影響到套管壓出力大小。根據(jù)經(jīng)驗，壓出力一般是壓入力的1.3～1.5 倍[5]。壓入力的大小一般與結(jié)合直徑、結(jié)合長度、過盈量相關(guān)。對于已經(jīng)定型的產(chǎn)品，結(jié)合直徑與結(jié)合長度更改牽涉零件較多，但是過盈量的更改，僅需調(diào)整成品加工尺寸公差要求，相對容易實現(xiàn)。因此，為防止后橋套管脫出，增大其過盈量是更改方向之一。準(zhǔn)備兩種過盈量的橋殼，對它們進(jìn)行變形試驗，檢測其變形超過1 mm 時所需加載的力具體是多少。

1#樣件，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加9 kN，直至109 kN 載荷下，橋殼變形約10 mm 停止試驗。

2#樣件，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加2 kN，直至105kN 載荷下，橋殼變形約10 mm 停止試驗。

3# 樣件，套管與減殼過盈量增大0.05 mm，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加2 kN，直至123 kN 載荷下，橋殼變形約10 mm 停止試驗。

4# 樣件，套管與減殼過盈量增大0.05 mm，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加2 kN，直至129 kN 載荷下，橋殼變形約10mm 停止試驗。

每一次加載后測量橋殼高度值。

從試驗結(jié)果看（圖12），在加載力約為70 kN 之前，四件橋殼的變形量相差不大，在加載力超過70 kN之后，四件橋殼的變形量開始有明顯區(qū)別。超過6 倍滿載軸荷后，過盈量越大，同樣變形量下能夠承受更大的載荷。這個試驗也表明，用戶如果長期嚴(yán)重超載，即使增大配合過盈量，也容易提早出現(xiàn)橋殼疲勞變形彎曲問題。

圖12 橋殼極限變形曲線

增大過盈量可以提升零件的防松能力，在一定程度上改善松脫問題，但是增大過盈量對橋殼本身的剛性不會產(chǎn)生影響，橋殼的剛性與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、原材料的彈性模量有直接關(guān)系，因超過設(shè)計允許載荷而造成的變形彎曲，從而造成套管脫出的問題，僅增大過盈量是不能從根本上解決變形彎曲問題。針對故障件，在上文背景說明中，故障件切割塞焊縫，套管與焊縫熔池邊界未見脫離痕跡，可以推測橋殼是受載變形彎曲后造成的脫出，并非是因為過盈量不足先造成的松脫，如果只是過盈量不足造成的松脫，不會有嚴(yán)重變形彎曲的表象。在用戶的走訪調(diào)查過程中，也發(fā)現(xiàn)有不少用戶在使用過程中存在嚴(yán)重超載問題，這也是橋殼早期并行彎曲滲油的主要原因。

3 結(jié)語

通過各種分析和驗證手段，充分了解到中段鑄造兩端插管式橋殼的性能表現(xiàn)，對產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)初期的結(jié)構(gòu)選型提供很好的指導(dǎo)意義。

中段鑄造兩端插管的整體式橋殼，相對薄弱位置在套管與鑄造減殼過渡的地方，此處應(yīng)力最大，承受的繁重沖擊載荷，服役環(huán)境惡劣，更容易出現(xiàn)變形彎曲，從而發(fā)生插管孔處滲油、松脫等問題。增大套管的壁厚或外徑，可以提高危險截面的截面系數(shù)，從而提高橋殼的強度與剛性，此種方式又會引起另外的問題，零件重量會提高，成本增加，不再適用于輕量化發(fā)展的要求。此種結(jié)構(gòu)的橋殼，雖然具有開發(fā)周期短、焊接與機加工的設(shè)備投入成本低的優(yōu)點，但是相比其他結(jié)構(gòu)橋殼，剛性差的問題比較凸顯，在市面上大噸位的載貨汽車中，基本不使用此種結(jié)構(gòu)，反而改為選用整板沖壓焊接式結(jié)構(gòu)的橋殼。

制造過程的機加工偏差，當(dāng)套管壁厚不均勻量在一定范圍內(nèi)時，對橋殼的剛性無明顯影響，但是橋殼的強度會有所降低，應(yīng)采用適合的生產(chǎn)工藝以減小制造機加工偏差，改善壁厚不均勻問題，同時為了提升橋殼的使用壽命，對原材料冷拔無縫鋼管的壁厚均勻量的要求應(yīng)有所提高。

增大套管與減殼的過盈量，增加結(jié)合力，一定程度上可以提高防松脫能力，但是對橋殼的剛性提升基本沒有貢獻(xiàn)，不能從根本上解決超載導(dǎo)致的變形彎曲問題。

產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，應(yīng)充分調(diào)研用戶的使用需求，適當(dāng)提高設(shè)計安全系數(shù)，降低售后維修成本。