某车型驱动轴支架断裂问题分析及解决

2019-10-21王磊冯毕巢杰侯彬

汽车实用技术 2019年1期

王磊冯毕巢杰侯彬

摘要：针对某款车型开发过程中出现的驱动轴支架断裂问题，通过台架试验，CAE分析，整车振动测试等手段，查出断裂原因。通过支架模态分析确定了支架整改方案，最终解决了问题。在最后提出了支架设计建议，为后续驱动轴支架的设计开发提供参考。关键词：驱动轴;支架;NVH;模态;共振中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2019）01-77-05

The analysis of and solution to the drive shaft bracket fracture on a certain car

Wang Lei， Wang Fengbi， Chao Jie， Hou Bin

（ Beijing Automobile Co.， Ltd.， Beijing 101300 ）

Abstract：After discovering the drive shaft bracket fractures in the development of a vehicle model， this paper aims to identify the causes by bench test and CAE analysis and vehicle vibration measurement. The author analyzes the model， establishes the improvement program， and finally figures out the solutions. Suggestions on designing brackets are proposed， which provides future references for designing and developing drive shafts.Keywords： drive shaft;bracket; NVH; model; resonanceCLC NO.： U467 Document Code： B Article ID：1671-7988（2019）01-77-05

引言

驅动轴三段式结构可以使左右驱动轴布置角度接近，有效改善汽车急加速时因扭矩转向产生的跑偏，提高车辆操稳性能。同时，三段式结构驱动轴可提高右侧驱动轴模态，在解决汽车NVH问题上也有显著效果，越来越多的中高级车型采用三段结构驱动轴，而驱动轴支架在三段式结构中作为右侧驱动轴的支撑，是必不可少的。驱动轴支架承载右侧驱动轴的大部分重量，在车辆工作过程中承受各向载荷同时还要避免与动力总成激励产生共振。而在实际工作中发现，驱动轴支架设计主要考虑其静强度，而忽视了支架共振问题。本文在解决驱动轴支架共振断裂案例的同时分析了影响驱动轴支架模态的设计因素，可以为驱动轴支架设计提供参考。

1 故障描述

某车型开发阶段，在动力总成耐久试验过程中发生驱动轴支架断裂问题，行驶里程5000km，综合耐久车辆及其他试验车辆未发生。断裂工况为高速环路，车辆D挡位全油门加速过程，车辆工况如下图1。

根据驾驶员描述，某次高速环路试验，车辆持续加速过程中，动力突然中断。经停车检查发现驱动轴支架下方完全断裂，右侧驱动轴轴承晃动，故障支架见图2。

2 故障原因分析

2.1 支架质量检测

2.1.1 外观检查

支架材料为铸铝A380，支架表面无可见缺陷。样件断口表面使用丙酮清洗后在体式显微镜下观察。断口有明显的金属光泽，宏观形貌整个断面呈“山脊状”形貌，且“山脊”状发射线指向断口边缘，在一条直线上汇聚，表明断裂起源于边缘区域。裂纹扩展方向中黄色箭头所示。根据上述宏观特征可以初步判定断裂是由支架局部脆性解理引发的。

2.1.2 射线探伤检测

对故障件进行探伤检测，如图4所示，圆圈处存在一定的疏松缺陷，经判定，其缺陷级别满足GB/T 9438-2013 《铝合金铸件》4.6.1中的2级要求。

2.1.3 金相分析（变质）

依据JB/T 7946.1-2017 铸造铝合金金相第1部分：铸造铝硅合金变质，断口位置共晶组织多为短杆状及针状，共晶组织未得到充分细化，存在变质不足的情况，一定程度上增加了材料的脆性。

2.1.4 金相分析（过烧）

依据JB/T 7946.2-2017 铸造铝合金金相第2部分：铸造铝硅合金过烧，可以判定断口位置的金相样品的组织中未见过烧现象。

2.1.5 金相分析（针孔）

依据JB/T 7946.3-2017 铸造铝合金金相第3部分：铸造铝合金针孔，以试样表面1平方厘米范围内针孔的数量和直径来评定针孔。基体及断口处的针孔度均为5级，为标准规定的最差等级，针孔情况比较严重，针孔会减小构件的实际受力面积并破坏材料的连续性，从而降低铸件的强度和塑性。

2.1.6 金相分析（晶粒度）

依据JB/T 7946.4-2017 铸造铝合金金相第4部分：铸造铝铜合金晶粒度，断口位置的晶粒度分析结果均满足要求，与断裂失效无关，但从金相照片中可见明显的疏松（黑色点状），射线探伤也印证了这点，铸件中疏松的存在会影响铸件的力学性能及抗蚀性。

2.1.7 扫描电镜分析

如图9所示，支架断面上存在明显缩孔，缩孔会进一步降低材料强度。

2.1.8 硬度测试

A380牌号为美标（ASTM B85），对应国标（GB/T 15114）牌号YZ112硬度测试结果见表1，样品硬度符合标准要求。

2.1.9 材料成分分析

如表2所示，化学成分分析结果表明：样品各化学成分均满足标准要求。

结论：

（1）支架材料化学成分，硬度符合标准要求，组织中未见过烧，晶粒度正常。

（2）支架内部存在变质缺陷，符合标准中的较低要求，内部针孔、疏松一定程度影响材料强度。

（3）支架断裂模式为脆性断裂。在断面方向瞬间载荷过大，瞬间应力超过材料断裂极限。

2.2 支架强度分析

2.2.1 CAE强度分析

按支架设计要求，其各方向承受1000N载荷时，最大应力需小于材料屈服强度160Mpa。支架在CAE分析结果中的最大应力处与断裂处一致，应力为119Mpa。在断裂位置应力显著高于其他部位，虽然满足支架设计标准，但结构有待改善。

2.2.2 台架试验验证

抽查同批次支架9台，进行台架破坏试验，与整车安装状态相同的约束下，X，Y，Z三方向施加载荷直至支架断裂。

如表3所示，支架Z向，Y向强度较弱，但满足设计要求。

结论：

（1）支架静强度满足设计要求。

（2）支架Z向强度低于X向及Y向强度。

2.3 支架振动测试

经分析，支架零部件质量不是断裂主因，继续对支架在车辆运行过程中的受力情况进行测试，如下图在支架上布置加速度传感器及应变片，测量支架在车辆行车过程中的振动及应变。

还原支架断裂工况，行车过程中提取振动数据如下图、在车辆0-180km/h的全油门加速过程中，支架布点测量到Z向最大加速度为37.39g，其振动频率约为160Hz，对应发动机转速约为4800rpm。

通过支架的振动数据（图13右侧）可以看出，在整个加速过程中，支架Z向出现了多次30g以上的加速度，在车辆加速过程中，随着挡位提升，发动机转速在循环升降，4次转速提升的过程对应8次加速度峰值，加速峰值对应转速约为4800rpm，此转速对应了发动机二阶激振频率为160Hz.

从支架振动的功率谱密度图（图13左侧）中也可看出，支架在160Hz-165Hz的频率下出现了能量非常大的振动。支架Z向加速度峰值的振动频率与同时刻的发动机二阶激振频率相同，可以判斷，支架在发动机二阶激振频率（160Hz-165Hz）激振下产生共振，共振导致支架Z向产生30g以上的加速度，由于支架承载着右侧驱动轴的大部分重量，振动的同时产生了巨大的、高频率的Z向力。应变片采集到的断裂处最大应力约为360Mpa，此应力水平已经超过材料抗拉强度。支架产生断裂。