某皮卡车型半浮式后桥台架失效分析及优化

莫伟忠，徐海军，黄荣国，黄恒仕

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

当今汽车市场上，皮卡汽车均为后驱或者四驱配置。在汽车底盘传动零部件中，驱动桥起着关键作用。按照驱动桥结构分类，皮卡汽车的后驱动桥属于半浮式驱动桥。它的主要作用是将传动轴传递过来的汽车动力，通过减速增扭，传递到两端驱动轮上，进而驱使汽车前进[1]。驱动桥一般通过钢板弹簧或者上下摆臂等多连杆与汽车相连，因此自身会承受一部分的整车总重量。

在汽车行驶过程中，驱动桥受力工况复杂，其自身的结构设计、零件强度及零件间的匹配等，都将直接影响整车的安全性、NVH及乘坐舒适性。皮卡车行驶工况一般较为恶劣，驱动桥一般都需要进行可靠性、耐久性道路测试，以此验证驱动桥的各零件设计性能是否符合要求。但实车测试一般周期都在3个月以上，因此产品开发初期必须通过台架试验对产品进行模拟验证，最大程度上解决设计潜在风险问题。某皮卡车型在设计开发的前期，半浮式后桥在进行台架试验验证时，减震器支架所在的桥管位置发生开裂。本文针对其开裂问题，通过台架试验与CAE分析相结合，成功解决了开发初期该车型后桥的设计问题。

1 台架失效情况描述

某皮卡车型半浮式后驱动桥，在设计初期，按照行业标准QC-T 533-2020《商用车驱动桥总成》相关规定进行桥壳垂直弯曲疲劳台架试验[2]。利用液压伺服试验系统，模拟驱动桥在整车上的姿态，按照后桥满载轴荷的2.5倍对后桥壳进行加载。按QC-T 533-2020加载要求，具体台架情况如图1所示。试验载荷波形为正弦波，试验频率选择5 Hz。基于以上条件，结合车型自身定位的需要，要求试验做到桥壳损坏即可停止试验。试验结果要求单根样件试验次数≥80万次，连续5根同时满足该试验次数，桥壳本体未出现任何故障即为合格。

图1 桥壳垂直弯曲疲劳台架试验

第一台后桥样件在桥壳疲劳次数到达76.8万次的时候，桥壳左减震器支与桥管焊接的区域，桥管开裂，试验设备停机报警。观察开裂区域，发现桥壳本体开裂严重，如图2所示。裂缝沿着减震器支架角焊缝区域延伸，一直撕裂到桥管的本体，桥壳两端直焊缝均已撕裂。

图2 左减震器支架区域桥管开裂

2 开裂原因分析

针对后桥样件试验次数接近目标值80万次时失效，需要从多方面潜在原因进行分析及排查。首先，需要确定试验所用的零件及材质是否符合设计要求。桥壳本体使用B510L的钢材，减震器支架使用SAPH440。实际材质达不到标准的话会引起试验样件的开裂。其次，焊接参数（电流、电压等）的设置，也会直接影响焊缝的熔深，导致焊缝因熔深不足先行开裂，引起桥壳本体的开裂。除此之外，开裂区域在桥壳受载时，所受应力的大小是否超过材料的屈服极限也是思考方向之一。以下从CAE结构分析、零件材质、焊接参数及焊缝结构方面对开裂原因进行详细分析。

2.1 CAE结构分析

按照台架试验的加载工况，对后桥进行了CAE仿真分析[3]。加载力按照2.5倍的后桥满载轴荷，加载点选择后桥的板簧距两端，如图3所示。分析应力云图如图4、图5及图6所示。

图3 CAE加载

图4 桥壳CAE分析受力云图

图5 左减震器支架区域

图6 右减震器支架区域

从CAE受力分析可知，整个后桥，应力最大区域均集中在左右减震器支架角焊缝附近。左减震支架角焊缝附近最大应力为250.3 MPa，右减震器支架角焊缝区域附近最大应力为248.4 MPa，均小于B510L材料的屈服强度355 MPa及SAPH440材料的屈服强度305 MPa。因此，产品结构及材料牌号的选用无问题，由于整车接口条件的限制，目前减震器支架位置无法进行调整，故后桥的最大应力区域位置已经固定，只能从其他方面想办法，避免焊接导致的应力集中。从CAE结果分析看，后桥危险区域与台架实际失效区域相吻合。

2.2 零件材质分析

检查减震器支架与桥管搭接间隙为0.2 mm，未超出最大搭接间隙0.5 mm的范围。对失效零件进行切割取样，按照Q/BQB310-2014《汽车结构用热连扎钢板及钢带》进行化学成分检测[4]，检测结果见表1。桥壳本体-材质B510L及减震器支架-材质SAPH440化学成分均满足标准要求，排除了由于材料不合格导致减震器支架区域附近桥管开裂的可能。

表1 零件材质检验

2.3 焊接参数及焊缝结构

焊缝熔深是焊接质量评判的重要标准之一，对焊缝熔深影响最大的因素是焊接参数，即焊接时的电流、电压。对台架失效样件的过程参数排查，获取台架故障件焊接参数见表2。此焊接参数与相近的后桥产品相比，电流电压属于正常范围。在该焊接参数下，对焊缝熔深进行检查，结果见表3，满足本企业标准要求。

表2 台架失效件焊接参数

表3 台架失效件熔深检测

但是由于减震器支架焊接区域属于最大应力集中区域，因此故障件的焊接参数可能选取不合适，是造成台架失效的可能原因之一。

观察失效台架件焊缝结构，焊缝的长度较短，起弧、收弧点均在零件连接处，如图7所示。一般来说，起弧点属于能量释放的起点不是特别稳定，会造成起弧点处的焊缝质量水平相对较差。对标行业同类产品，对于应力集中区域的焊缝，一般不选用垂直焊缝，且焊缝适当外延10～15 mm，将起弧点引出两零件的搭接区域。因此，减震器支架与桥管焊缝设计不合理，也是台架失效的可能原因之一。为此，需要对焊缝的结构进行进一步的研究与改进。

图7 台架失效件焊缝起弧位置

3 优化设计及验证

针对上述分析，对焊接参数、焊缝结构进行优化设计并安排台架验证。

3.1 优化方案一

由于焊接参数直接影响焊缝质量，且从失效台架件的熔深参数看，焊接电流还有较大优化空间。理论分析，在保证零件焊接熔深的条件下，尽量选取较小的焊接电流及电压，焊接时释放更少的能力，减小零件的热影响。因此，在失效台架件焊接参数的基础上，对焊接电流及电压进行了适当调低，参数见表4。

表4 优化方案一焊接参数

除此之外，针对焊缝起弧点在角焊缝上导致焊缝强度变弱的情况，对焊缝进行更改，起弧点引出至零件搭接区域外，即焊缝往外延伸10～15 mm后再起弧，如图8所示。焊缝的延伸也有利于减少区域的应力集中。按照以上方案制作台架样件2台，试验次数分别为87万、89万，虽然试验合格，但失效模式还是左减震器支架焊接区域桥管开裂，如图9所示，说明本方案有一定提升，但未最终解决开裂问题。

图8 焊缝延伸

图9 优化方案实际焊缝

3.2 优化方案二

从优化方案一的试验结果来看，焊接参数的改变及焊缝结构的改变，对试验次数的提升有着决定性作用。为进一步提升产品性能，需对焊缝结构进行更进一步的优化。减震器支架与桥管连接的焊缝属于垂直焊缝，在试验过程中，垂直受力像一把刀一样切割桥管，导致桥管开裂。参考行业内相关产品处理方法，焊缝延伸的同时，由直线延伸更改为八字形的延伸，角度取35～45°，如图10所示，起弧点同样选在零件搭接外侧。同等条件下，八字形焊缝对应力的分散效果更有效。按照该方案制作台架样件，试验次数进行到150万均未出现任何故障，桥壳疲劳寿命提升40%以上。

图10 八字形延伸焊缝

3.3 方案对比

针对桥壳台架失效问题，目前提出了两个优化方案，试验结果及方案描述对比见表5，两种优化方案都可满足桥壳疲劳80万次的要求。综合对比后，最终选择两种方案相结合的方式，即在保证零件熔深的前提下，降低焊接电流及电压，同时改变焊缝的结构形式。采用此种综合方案，从根本上解决了该车型的桥管开裂问题。

表5 优化方案

4 结语

在某皮卡半浮式后桥产开开发前期，在进行台架试验过程中，出现了减震器支架焊接处桥管开裂的失效模式。本文针对该失效模式，在CAE分析的基础上，进行了零件材质、焊缝熔深质量、焊缝结构等分析，最终通过调整焊接参数及改变焊缝结构彻底解决了该失效问题，确保了产品设计的可靠性。同时，也为后桥相似产品的焊接提供了借鉴，对后续同类产品的开发具有重要意义。