某桥壳疲劳失效原因分析及优化

廖神送 ，郝明，许志

(1.合肥美桥汽车传动及底盘系统有限公司，安徽合肥 230011；2.安徽巨一科技股份有限公司，安徽合肥 230011)

0 引言

汽车后桥属于汽车传动系的末端，是汽车中的关键零部件之一，驱动桥总成除了传递扭矩外，既要承受作用于路面和车厢或车架之间的铅垂力、纵向力和横向力，还要承受车辆在行驶过程中动载荷、静载荷产生的弯矩和扭矩[1]，因此后桥设计要求强度刚度、疲劳在成本合适的情况下，安全系数保持较高水准。

某小卡后桥进行桥壳疲劳试验时，次数未满足国标要求时出现裂纹。本文作者对该失效件故障模式进行分析，并提出优化及改进方案，结合FEA分析验证了桥壳疲劳台架实验满足要求。

1 现状描述

某小卡后桥总成设计如图1所示。

图1 后桥总成三维结构

后桥壳总成设计三维模型如图2所示。

图2 后桥壳总成三维结构

后桥壳主要设计参数见表1。

表1 后桥壳总成设计主要参数

该桥壳片采用带三角片的设计，这样的设计可以减少板材下料的宽度，提高材料的利用率，节约成本；套管采用的是分体式套管，法兰盘采用焊接的方式固定在桥壳片上，这样的设计可以大大降低锻造法兰的材料利用率，减轻质量，节约成本。桥壳采用冲压成型为上下片，通过焊接成型腔体，需满足一定的强度刚度和疲劳使用要求[2]。

桥壳设计完成后制作三台样件，按照QC/T533要求进行疲劳试验。

实验结果见表2。

表2 后桥壳总成疲劳试验结果统计

失效实物图片如图3—图5所示。

图3 1#桥壳失效图片

图4 2#桥壳失效图片

图5 3#桥壳失效图片

通过失效的模式发现开裂的位置都是集中在三角片和本体连接的60°焊缝和主减安装孔的缺口圆角位置，并且故障反复出现。

2 故障分析

针对以上的故障模式，对桥壳的设计、制造、外购件质量进行逐一核查，通过对桥壳片材质机械性能和焊缝熔深、外观进行检测，并通过FTA分析手段对桥壳的故障原因进行排查。故障树分析如图6所示。

图6 故障树分析

2.1 三角片设计

(1)初始设计为小三角片结构，三角片设计尺寸可获得最佳桥壳片材料利用率，经CAE分析[3]，2.5倍载荷情况下三角片位置最大应力超出桥壳片许用应力，如图7所示。

图7 故障件设计CAE分析

由图可知，三角片的顶端局部应力已经达到569 MPa，远远超出材料的许用应力460 MPa，且该处焊缝的起始位置和后油盖环焊缝的起弧点位置重合，更易产生因焊接热效应叠加导致的微裂纹[4]；缺口圆角处的应力也达到了440 MPa，产生了1#件的裂纹故障，需要优化三角片尺寸避开环焊缝的起弧点位置，缺口的圆角过渡尺寸也需要更加圆滑。

(2)三角片焊缝和后油盖焊缝设计

故障件三角片焊缝如图8所示。

图8 故障件三角片焊缝

由图可知，三角片起焊点距离桥壳中心200 mm，焊接顶角60°焊接时三角片焊缝末端与后油盖环焊缝起弧点重叠，导致该处应力集中。

(3)三角片与本体的焊缝及熔深，故障件三角片与后油盖焊缝熔深如图9所示。

图9 故障件三角片与后油盖焊缝熔深

由图可知，三角片与本体间隙过小，焊料不能进入，导致焊缝熔透率低。

2.2 实物焊接质量

(1)后油盖焊缝

三角片焊缝和后油盖焊缝起弧点重合，热应力集中导致出现焊接缺陷——焊渣&缩孔。

由图10可知，样件切开后后油盖环焊缝焊接出现大量的焊渣和缩孔，焊接质量差。

图10 故障件后油盖与本体焊缝

(2)三角片焊缝

三角焊缝设计要求熔透率大于70%，焊缝焊接高度5 mm，实物熔透率只有17%～33%，焊缝焊高3 mm。

由图11可知，三角焊缝的熔深和焊高均不符合图纸要求。

图11 故障件三角片与本体熔深

(3)三角片封底焊

封底焊位于三角片焊接反面的补焊，设计要求是直焊缝，焊缝长50 mm，焊接平整，实物存在偏焊&缺焊。

由图12可知，封底焊是二次焊接导致焊接热效应集中，焊接不平整容易焊偏和漏焊，不利于桥壳寿命。

图12 故障件三角片封底焊缝

2.3 外购件质量

通过对外购桥壳片三家片加强环进行了分析，其材质和尺寸均合格。

3 桥壳设计优化

(1)桥壳刚度优化。桥壳片三角片设计过大，桥壳肩部宽度不足，桥壳整体刚性不足，优化三角片尺寸：

① 将三角片与桥壳片间隙由1 mm改为2 mm；

② 三角片顶角焊接位置由200 mm改为180 mm；

③ 三角片顶角角度由60°改为46°，避开后油盖起弧点，避免焊缝处应力集中，降低桥壳最大应力，如图13所示。

图13 三角片尺寸优化

(2)缺口半径R不均匀过度，应力集中,将圆角半径R11mm优化为R13mm，如图14所示。

图14 缺口尺寸优化

(3)取消三角片的封底焊缝焊接。

4 优化后桥壳验证

4.1 优化后桥壳CAE分析验证

对优化后的尺寸建模进行FEA分析[3]，如图15所示。

图15 优化后桥壳CAE分析云图

从CAE云图分析的结果可以看出，优化后的三角片处的应力下降了26.1%，并且优化后的应力小于材料的许用应力460 MPa；缺口圆角应力下降了7.9% ，桥壳的整体刚性也提升了12.9%，结果见表3。

表3 后桥壳优化前后分析对比

4.2 优化后台架验证

按照优化后的尺寸重新制作三台样件，对优化后的尺寸进行台架验证，由表4可知，优化后的桥壳疲劳寿命明显提高，符合国家标准要求(B50>80万次，B10>50万次)，优化后的设计可以投入生产。

表4 后桥壳优化后试验结果

5 结论

(1)带三角片的桥壳设计和本体的焊缝应尽量避开后油盖圆焊缝的起弧、收弧点，避免焊接产生的应力叠加；

(2) 减小三角片的尺寸，桥壳整体刚性增强，桥壳疲劳寿命越好，桥壳片设计可尽量不带三角片，带三角片的设计，三角片的宽度越小，桥壳本体桥包到桥管的过渡肩部宽度越大，桥壳整体刚性越好，疲劳寿命越好；

(3) 三角片越大，板材的材料利用率越高，成本越低，但三角片增大会牺牲桥壳的整体寿命，三角片的大小设计需要将成本和寿命做到很好的平衡；

(4) 带缺口的桥壳片，圆角越大，过渡越平滑，可避免应力集中，减少开裂；

(5) 运用FEA分析手段可有效预防桥壳设计的失效，节约成本。