某车型驱动轴护套断裂可靠性提升*
2019-06-10刘利宝李红敏乔辉王建胡念明王强田亚军姚晓东钮微龙刘南许超楠张秀明
刘利宝 李红敏 乔辉 王建 胡念明 王强 田亚军 姚晓东 钮微龙 刘南 许超楠 张秀明
(1.长城汽车股份有限公司技术中心,河北省汽车工程技术研究中心;2.国机智骏科技有限公司)
经对汽车售后市场统计后发现,驱动轴的所有故障中80%以上是因其护套漏油导致。驱动轴作为整车传动系统的重要零部件,若发生断裂漏油会严重影响其在发动机与轮胎之间的动力传递。某车型上市10 个月后,售后市场反馈驱动轴护套小端出现批量断裂问题,造成车辆底盘漏油或异响,导致客户抱怨,此问题严重影响了整车品质。文章通过有限元分析集中应力,探索了一种护套生产工艺的改进方法,解决了护套批量断裂的问题,且经可靠性试验验证,达到了预期效果。
1 可靠性数据解析
1.1 车辆使用环境分析
某车型驱动轴发生断裂,进而导致漏油和异响,故障现象,如图1所示。依据售后统计信息可知,该问题发生在寒冷的东北、西北地区(局地极限低温可达-40 ℃),具备明显的地域集中性。车辆生产时间集中在2017年末和2018年初,具有明显的寒冷季节(经历冬季)集中性。失效里程集中在1 万km 以下,均为短里程、早期失效。
图1 某车型驱动轴护套断裂
1.2 威布尔模型建立
1.2.1 威布尔参数估算方法
可靠性工程中的二参数威布尔分布公式[1],如式(1)所示。
将其代入式(1),可得双对数坐标下的威布尔概率图,此为一条直线[2],如式(2)所示。
式中:F(t)——失效率的累积分布函数;
b——形状参数(b<1 对应早期失效,b=1 对应偶然失效,b>1 对应耗损失效);
T——尺度参数,为威布尔函数的特征寿命。
威布尔参数估算方法[1]:
1)将分析对象数据(i=1,2,3,…,n)由小到大按顺序排列;
2)计算累积分布函数F(ti);
3)在威布尔概率纸上点数据点((t1,F(t1)),(t2,F(t2)),(t3,F(t3)),…,(tn,F(tn));
4)绘制分布直线;
5)得到形状参数(b)和尺度参数(T)。
1.2.2 威布尔模型应用
选择某车型在2017年5月—2018年10月期间销售的车辆进行可靠度计算,即护套的样本容量总计169 664 个,其中143 个为失效样本,以二参数威布尔分布代入可靠性计算工具Minitab,得到右删失状态下的B0.5(置信区间为95%的威布尔分布的中位寿命)里程[3],如图2所示。从图2 可知,b为 1.810 44>1,这是单调增长的失效率,其随时间增长而增长,这便是老化、疲劳或者磨损损坏[2]。失效里程B0.5 为30 252 km,不满足C 类故障9年12 万km 的要求。
图2 右删失状态下的B0.5 里程显示界面
1.3 真因分析
1.3.1 尺寸及原材料检验
经测量,故障件护套小端壁厚尺寸为1.38 mm,如图3所示,图纸要求其小端壁厚的尺寸应大于1.2 mm,如图4所示,因此判定尺寸合格。
图3 驱动轴护套故障件剖切断面
图4 驱动轴护套小端壁厚图纸
1.3.2 原材料检测
对故障件原材料进行检测,检验报告如表1所示,失效件材质检测基本合格,即其主体材质与正常件相同,体积质量与正常件相近,熔点在正常范围(要求低于280 ℃)内。其无明显玻璃化,组成中灰分含量极少且断口形貌未发现老化现象,判断护套为疲劳失效。
表1 驱动轴护套原材料检验报告
1.3.3 应力分析
针对材质相同、小端厚度不同的护套,在相同温度(23 ℃)和相同摆角(45°)下进行有限元分析,得知护套小端存在应力集中,且锐角模型的应力(6.62 MPa)相对钝角模型的应力(5.1 MPa)增大30%,如图5所示。
图5 驱动轴护套模型应力云图显示界面
针对材质相同、小端厚度相同(锐角模型)的护套,在相同摆角(45°)下,在 -40 ℃时的应力(113 MPa)比在常温23 ℃时的应力(23 MPa)增大391%以上,如图6和图7所示。
图6 驱动轴护套锐角模型应力值曲线
图7 驱动轴护套锐角模型应力云图显示界面
1.3.4 成型工艺分析
护套生产工艺主要包括:胶料熔融、注塑、吹塑、裁剪成型。其中在注塑(如图8所示)过程中存在如下问题,即当注塑压力在护套小端成型位置较小(小于0.3 MPa)时,会致使护套管坯在局部变薄,继而吹塑时出现锐角[4];注塑压力大于0.3 MPa 时,料厚增多,成型位置圆滑。
图8 驱动轴护套注塑示意图
由以上分析可知,护套断裂失效原因为在过低温度环境下,材料力学性能下降,应力增加;同时此位置因自然成型为过渡不圆滑的锐角,导致应力增加,进而造成早期疲劳失效。
2 故障再现
2.1 试验条件确定及样本选取
为验证该可靠性试验的可行性,需首先保证故障可再现,然后才能在试验条件下进行可靠性提升试验。为此依据该整车的实测载荷,确定台架试验条件为:环境温度为(-40±3)℃(停放 8 h);摆动角度为 25~44°;摆动频率为0.5 Hz;转速为20 r/min。
因故障件护套小端壁厚为1.38 mm,通过控制使注塑压力小于0.3 MPa,并实测后挑选护套小端位置厚度为1.36 mm 的样件(接近故障件),模拟再现试验。
2.2 试验方法确定
分别选取5 个样件,进行编号,对护套开展加速试验直至出现开裂失效,再现试验结果,如表2所示。通过对5 个样件进行台架耐久试验,护套小端出现破裂及油脂泄露现象,与故障件失效位置相同,失效时间在30 h 左右。
表2 驱动轴护套小端断裂再现试验结果 h
2.3 试验速度计算
将表2 中的试验结果代入Minitab 软件进行威布尔运算,得出其每小时里程数,如图9所示。即改进前产品B0.5 失效里程为30 252 km,试验失效循环为28.4 h;试验每循环对应里程为30 252/28.4=1 065 km/h。
图9 驱动轴护套故障再现试验结果显示界面
3 可靠性提升
3.1 分析标杆
从产品设计角度对驱动轴护套小端结构进行对标分析,如表3所示,厂家1 和厂家2 的护套小端位置为平滑过渡。统计2 个厂家的售后数据,未发生护套小端断裂现象,而故障件存在不圆滑的锐角,故工艺过程为故障的主要影响因素。
表3 驱动轴护套小端结构对标
3.2 提升方案
在护套成型工艺分析中已知,当注塑压力大于0.3 MPa 时,护套小端圆滑。表4 示出不同注塑压力下对应的护套壁厚。为保证护套小端圆滑过渡以满足方案需求,根据试验结果初步确定其方案,即将注塑压力调整为大于0.35 MPa,从而保证护套小端位置壁厚不小于2.1 mm。
表4 驱动轴护套注塑压力与壁厚的关系
3.3 提升试验
采用故障再现试验的试验条件,对护套小端进行平滑过渡,使厚度保持在2.21 mm。分别取5 个样件,进行编号,对护套开展加速试验直至出现失效,试验结果,如表5所示。通过对5 个样件进行台架耐久试验,护套在大卡箍处出现油脂泄露;夹箍及护套出现滑移,并未出现断裂现象,失效时间在120 h 左右。
表5 驱动轴护套小端改进后试验结果 h
3.4 提升结果
对改进后的产品寿命进行计算,试验失效循环为118 h(如图10所示),改进前的产品试验每循环对应里程为1 065 km/h,改进之后,产品B0.5 失效里程为1 065×118=125 670 km,可靠性明显提升,满足驱动轴护套耐久要求(12 万km)。
图10 驱动轴护套可靠性提升试验结果显示界面
4 结论
故障再现试验表明,当注塑压力小于0.3 MPa时,护套壁厚小于2.1 mm,32 h 即断裂失效,不满足整车寿命要求;可靠性提升试验表明,当注塑压力大于0.35 MPa 时,能保证护套壁厚大于2.1 mm,120 h 以上才失效,满足整车寿命要求。文章通过增大护套注塑压力,达到了护套可靠性提升的目的,为行业内护套生产指明了方向。