空气悬架驱动桥桥壳的故障模式及可靠性研究

2023-10-21邹华

时代汽车 2023年16期

邹华

摘要：本文对驱动桥桥壳在汽车使用过程中的故障原因进行了分析，提出了优化方案，并对桥壳可靠性进行了试验验证。通过对故障件潜在失效模式进行分析，找出了悬架结构是影响桥壳故障的主要原因，建立了悬架桥结构的ANSYS有限元模型并进行了台架试验验证，提出了降低桥壳故障率的方法，有效提高了桥壳可靠性。

关键词：桥壳有限元分析优化方案可靠性验证

1 引言

桥壳作为驱动桥的重要部件，其主要作用是保护主减速器、差速器和半轴，保持左、右驱动轮的轴向相对位置固定，并支承车架及其上各总成质量[1-2]，桥壳的性能直接影响汽车的有效使用。为了提高桥壳的可靠性，沈晔超等对桥壳堆焊可靠性进行了研究[3]，卢剑伟等对路面随机激励下桥壳疲劳可靠性进行了分析优化[4]，张立春等建立有限元模型对桥壳的可靠性进行分析，探究了各随机变量对驱动桥壳可靠性的影响[5]，郭冬青等利用有限元对驱动桥试验模型进行了分析和优化[6]，张义民等应用随机摄动法对后桥壳进行了可靠性优化设计[7]。为此，本文针对桥壳在使用过程中出现下托板焊缝开焊开裂及桥壳焊缝端头撕裂桥壳漏油等故障问题，对桥壳失效模式进行分析，找出了悬架结构是导致桥壳出现故障的主要原因，通过对结构受力分析，提出了在悬架结构上加设增强横梁以减小桥壳受力的方法，并建立悬架桥结构的有限元模型及进行台架试验分析研究，最后对优化后的试验车辆进行可靠性试验，有效提升了桥壳可靠性。

2 故障原因分析

通过对失效件的分析可知，桥壳的故障模式主要表现为桥壳下托板焊缝开焊及桥壳从焊缝端头开始撕裂、桥壳漏油，而这主要是由于焊缝和桥壳熔合深度的不同，当焊缝和桥壳熔合较浅时，焊缝开焊；焊缝和桥壳熔合较深时，桥壳撕裂引起漏油。但现在无法检验焊缝熔深，即使是剖切破坏，也只能看到一条水平线上的熔深，故无法从失效件去判断焊缝熔深及影响。基于此，根据实际情况提出了几种可能引起桥壳下托板开焊开裂的原因，包括：桥壳材质质量影响、桥壳中段成型工艺对下托板焊缝寿命有影响、焊接参数对下托板焊缝寿命有影响、焊缝结构及一致性影响、悬架结构影响等。依据国家及行业标准对桥壳及焊缝的结构和工艺台架试验，对材质尺寸等进行测量分析并对屈服强度等相关力学性能参数进行了试验，找出引起桥壳故障的主要原因。

2.1 材质质量影响

为了验证材质质量的影响，进行了失效件测量和试验。测量了主减侧、后盖侧桥壳与左右侧下托板的尺寸及间隙发现，失效件桥壳与下托板尺寸及间隙大小均满足要求，尺寸间隙不是下托板开焊和开裂的影响因素。并对失效件的C、Si、P等化学成分及铁素体、珠光体等金相相性进行检验，发现失效件的成分及金相均符合标准要求，可知化学成分与金相也不是下托板开焊和开裂的影响因素。

2.2 焊接参数及桥段成型工艺影响

通过对桥壳中段成型工艺进行台架试验后发现，失效件桥壳的力学性能对下托板的焊缝具有影响，对桥壳进行冷压试验后，桥壳抗拉强度、屈服强度均偏高，且延伸率偏低，部分失效件不满足标准要求。另外，通过对焊接参数进行调整后发现，在对焊缝进行冷压试验时，在保持焊接速度一致的情况下，分别使用250A、300A、350A的电流对桥壳进行台架试验，根据试验结果发现焊接电流对下托板的焊缝具有影响，加大电流后台架试验次数提升，焊缝使用寿命提高。

2.3 焊缝结构及一致性影响

考虑到焊缝一致性的影响，对焊缝的融合深度，焊缝均匀性进行了冷压及热压试验，通过剖切焊缝对焊缝深度进行对比后发现，失效件整体焊缝分布不均，焊缝呈曲线型，焊缝的一致性对下托板开焊和开裂具有影响。在对焊缝结构进行疲劳试验后发现，改变失效件焊缝结构，如延长焊缝、采用U型焊缝、焊缝形式改为搭接焊及将下托板结构做成8字型下托板外周围焊或加长焊缝支腿内孔圆周焊后与常规焊缝进行对比发现，调整后的焊缝结构抗疲劳性能没有明显变化，焊缝结构并不是下托板开焊开裂的影响因素。

2.4 悬架结构影响

在对下托板进行受力分析可知，下托板所受的力或力矩主要有两个，一个是气囊及减震器传递到桥壳下托板焊缝上的弯矩力，另一个是下推力杆传递到桥壳下托板焊缝上的弯矩力。其中气囊及减震器受力点与焊缝存在力臂，导致在YZ平面内存在一个绕X方向不断变化的弯矩，气囊及减震器对下托板产生下推力，受力点在焊缝上。选取常规结构、取消下托板结构、打紧焊结构进行分析，试验过程中，托架、U型螺栓断裂频繁，和实际运行故障不符，判定此力不是影响下托板开焊开裂的主要原因。对悬架下推力杆受力位置分析时发现，下推力杆受力点与焊缝也存在一个Y方向上的力臂，导致在XY平面内存在一个绕Z方向不断变化的弯矩，受力点在焊缝上。对悬架桥单独加载下推力发现时下托板失效模式和实际运行故障相同，可证明悬架产生的下推力传递给桥壳的力矩过大是导致下托板开焊及开裂的主要原因。

2.5 原因判断

在对上述原因进行验证后发现：桥壳下托板开焊开裂的的主因是悬架结构下推力杆，次因是桥段成型工艺对、焊接参数、焊缝一致性。

3 桥壳可靠性验证

在确定桥壳下托板故障主因后，通过建立桥壳悬架结构的有限模型对结构进行了对比分析，并对优化结构进行台架试验验证，最后进行试验车可靠性试验，有效证明优化方案的可行性，解决了桥壳下托板开焊及开裂问题。

3.1 建立有限元模型

在建立悬架桥有限元模型时，桥壳单元类型为SOLID185，弹性模量为2.06GPa，泊松比为0.28，密度为7850kg/m3。对C型梁悬架桥及直梁悬架桥的原始方案与优化方案的桥壳应力进行了对比分析。优化方案为在悬架上增加横梁，旨在改善桥壳受力，如图1所示。

3.2 桥壳应力分析

对于原始方案，板座焊缝靠近桥包侧应力均超过材料许用强度，与实际失效模式一致；为了减小悬架对桥壳的下推力，在悬架上增加横梁后焊缝处应力均有所降低，其中C型桥桥壳下托板焊缝处应力最大降幅达69%，直桥桥壳下托板焊缝处应力最大降幅达30%，极大改善了桥殼受力情况。

3.2.1 C型橋应力分析

根据桥总成随悬架变形情况对C型桥在垂向冲击、侧滑、制动三种工况下应力进行有限元分析如图2～4所示，结果表明：三种工况下桥壳最大应力出现在与悬架结构相连接的下托板处。原始方案中垂向冲击、侧滑、制动三种工况下的桥壳下托板最大应力分别为352MPa、366MPa、376MPa；增设横梁的优化方案中三种工况下桥壳下托板最大应力分别为121MPa、115MPa、115MPa；优化后桥壳下托板应力减小了66%以上，改善了桥壳受力。

3.2.2 直桥应力分析

在对直桥进行垂向冲击和扭转工况下的桥壳应力进行有限元分析如图5～6所示，两种工况下桥壳最大应力出现在与悬架结构相连接的下托板处。原始方案中垂向冲击和扭转工况下的桥壳下托板最大应力为474MPa和647MPa；增设横梁的优化方案中两种工况下桥壳下托板最大应力为407MPa和453MPa；优化后桥壳下托板应力分别减小了14%和30%，增设横梁有效改善了直桥桥壳受力。

3.3 台架试验

将试验桥与悬架总成后安装在试验台架上，通过台架对悬架桥加载一定的推力与拉力模拟整车工况。进行台架试验验证数据样本数量不少于4，台架试验次数分别为70.28、94.56、72.58、90.56万次，试验次数均超过50万次；试验结果显示样件均未损坏，通过在悬架桥上增设加强横梁，可以有效改善桥总成及桥壳受力情况。

3.4 可靠性试验

为了验证优化方案的合理性，在悬架结构上增设横梁后对试验车进行了路面可靠性试验，选取试验车数量不少于3辆，行驶综合路里程不小于10000km三个工况进行试验，根据试验车运行后试验场统计数据可知，对悬架桥增设横梁措施后，桥壳下托板未出现开焊及开裂情况，试验满足目标要求，优化方案有效可靠。

4 结论

（1）通过对桥壳下托板开焊开裂问题进行分析，确定了悬架结构为影响桥壳可靠性的主要原因。

（2）建立悬架桥结构有限元模型并进行台架试验发现：下推力杆受力导致下托板开焊开裂，增加横梁后下托板焊缝性能显著提高。

（3）有限元分析结果表明：原始方案中，C型桥及直桥板座焊缝处靠近桥包侧应力均超过材料许用强度，与实际失效模式一致；增设横梁的优化方案中焊缝处应力均有所降低，其中C型桥侧滑工况焊缝处69%，直桥扭转工况应力降幅达30%，增设横梁有效减小了桥壳受力。

（4）对增设横梁的优化试验车选取样本数量不少于3且综合路里程不小于10000Km路面试验发现，各试验车性能良好，未出现在规定时间规定里程上桥壳开焊及开裂问题，加设横梁后桥壳可靠性满足要求。

参考文献：

[1]徐滨士，朱邵华．表面工程的理论与技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，2010．

[2]刘惟信．汽车设计［M］．北京：清华大学出版社，2001．

[3]沈晔超，宋守许．基于汽车驱动桥壳再制造的堆焊可靠性研究［J］．中国机械工程，2013，24（5）：676-680．

[4]卢剑伟，王馨梓，吴唯唯．路面随机激励下轻型货车驱动桥壳疲劳可靠性分析［J］．汽车工程，2016，38（1）：122-126．