前下控制臂總成常見失效模式探析

趙娟 付志輝

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

前下控制臂總成常見失效模式探析

趙娟 付志輝

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

汽車前下控制臂是汽車懸掛系統的重要組成部件,是懸掛系統的導向與支撐元件,其將作用在車輪上的各種力傳遞到車身上,并保證車輪沿一定的軌跡運動。前下控制臂失效直接影響車輪的定位,降低行車的穩定性與安全性。本文就目前微型商用車及部分轎車前下控制臂常見的失效模式進行分析,以便能及時采取對策,減少問題發生,使汽車用戶獲得更好的安全性、舒適性與穩定性。

前下控制臂 懸掛系統 失效模式 安全 舒適性 穩定性

目前常見的前下控制臂有如下兩種結構，橫臂式結構(如圖1)與三角臂結構(如圖2)。其整車裝配環境:橫臂式結構一端是球鉸結構與前懸掛連接，一端是橡膠襯套結構與前軸連接，中間有與支撐桿連接的兩個安裝孔;三角臂結構是雙襯套、單球較結構，球鉸結構與前懸掛連接，雙襯套結構與副車架連接(或一端與前軸連接，一端與車架大梁連接)。

前下控制臂涉及的工藝有鍛壓、熱處理、機加工、塑料注塑、橡膠硫化、沖壓、焊接、電泳、裝配等。臂體、球銷、軸套合件為前下控制臂的三大部件，基本的工藝流程如下圖3所示:

了解了前下控制臂在整車上的作用、整車裝配環境與加工工藝流程，對我們理解其失效模式及失效機理就有了很大的幫助。下面就根據以往的經驗探討分析前下控制臂的三大失效模式:前下控制臂斷裂，前下控制臂球球銷松脫、異響，前下控制臂軸套滑移。

1 前下控制臂斷裂,前下控制斷裂有多種模式

(1)擺臂軸套斷裂，失效模式如圖4所示，導致該失效模式出現在以上工藝流程圖中焊接球銷座/外剛套工序。該工序一般是先點焊定位、后氣體保護焊加固，也有通過工裝保證定位，直接氣體保護焊。失效的原因有兩種:一、只點焊，沒有氣體保護焊，焊接強度不足，這種失效模式承受力小，整車裝配完成后一旦下地，就無法承受整車子重量而斷裂，這種失效模式一般在整車裝配工廠就能發現，影響不到我們最終的汽車用戶。這種問題出現在先點焊、后加固焊的焊接設置工序中。二、氣體保護焊的焊縫焊偏，焊偏嚴重的情況，就是焊縫沒有起到加固的作用，類似于第一種原因。焊偏不是很嚴重的情況下，焊縫有融合，但是焊接的焊縫偏向控制臂支架一端或是軸套一端，導致焊接強度不足，這種失效模式問題比較嚴重，因為它可能流到市場上，對最終的客戶造成安全影響。漏焊及焊接不牢固問題，需要在焊接工序采取措施，比如漏焊采取防錯，取消點焊工序，直接工裝定位加緊后進行氣體保護焊縫焊，這樣就不會出現漏焊失效模式。焊偏現象就是首先要保證定位準確，焊接的相關參數調整到位，并對焊接產品進行檢驗，一般焊偏嚴重的情況，目視就可以檢測出來，焊偏不嚴重的情況，是需要進行熔深檢測，也就是焊接工序的任何過程發生變化，有可能導致焊接出現變異的情況都壓進行焊縫的熔深檢測，控制好的焊接工廠一般是每班都進行熔深檢測。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖6

(2)擺臂球銷座斷裂，這種情況要看球銷座的結構。一種是球銷座頸肩處與擺臂支架焊接在一起的，它的失效模式如圖5，是在焊接工序出現的，失效原因兩種，是和(1)中擺臂軸套斷裂的情況是相同的，具體的采取應對措施也是相同的。另一種是球銷座頸肩處鍛壓成型的，球銷座殼體斷裂，失效模式如圖6，導致該失效模式產生的位置出現在以上工藝流程圖中鍛壓工序，鋼材材料符合技術要求，零件在鍛壓過程中形成脫碳層，脫碳層在淬火時開裂，形成裂紋。球銷座殼體存在裂紋的情況下，控制臂的強度不足，承載能力下降，裂紋大的情況下，擺臂安裝后下地即斷裂，裂紋小的情況下，會流出市場，在用戶使用過程中斷裂。這種失效模式由于是微觀產生，在原材料方面、鍛壓過程、熱處理過程都有產生問題的可能，很難在生產過程控制，一般是采用在熱處理后進行探傷檢測，以識別、隔離缺陷。

(3)擺臂臂體(支架)斷裂，擺臂支架斷裂也有兩種類型的斷裂。

三角臂結構，斷裂模式如圖7，對故障件裂紋進行電鏡分析，認為該零件的是疲勞斷裂，疲勞源在擺臂支架的腰型孔處，但是車子的里程只有幾千公里，如果受力正常的情況下，不該出現這種模式，控制臂臂體受力正常情況下，是縱向力與測向力，球銷部分受到的來自輪胎上下跳動產生的垂直力是橡膠襯套的變形來緩沖這部分力的，一般臂體不受垂直方向的力。經過對進行CAE分析，發現零件受正常的縱向力與側向力的情況下，零件的應力集中區是在下控制擺臂軸套處，不會出現這種失效模式，如果加載了垂直力，零件的應力區域和零件的失效區域是一致的，如圖8，由此可以判定該零件臂體受垂直力導致，根據零件的受力分析，橡膠襯套是通過自身變形來緩沖吸收垂直方向上的力的，那就說明橡膠襯套沒有起到應有作用。這有兩種因素可以導致，一是橡膠襯套本身剛度大，沒有起到變形緩沖的作用，這種情況下應該是橡膠襯套先開裂，但故障件橡膠襯套完好，所以不是橡膠本事的原因。二是橡膠軸套周邊被異物卡住，無法擺動，垂直力根本傳不到橡膠襯套處，再看零件的表面，黑色油漆已脫，說明被異物比如寒冷天氣的冰雪等卡住導致。

圖7

圖8

圖9

圖10

預防這種控制斷裂的方式一是日常監控橡膠襯套的剛度曲線，避免其自身失效，起不到變形緩沖的作用，二是在橡膠襯套周圍空間完全敞開，是異物卡不住，或者進行封閉，使異物進不去，從而使橡膠軸套能正常起作用。

橫臂式結構，斷裂模式如圖9，零件斷為兩截，這種結構由于整車底盤處該處承載力比較薄弱，導致該失效模式出現的情況一般是客戶開車過程中異常情況的。比如開車過程中撞到臺階或其他物體導致底盤受力異常產生的。這種模式零件質量是正常的，需要顧客安全駕駛。

前下控制臂的斷裂失效模式，引起的后果很嚴重，前下控制臂是懸掛系統的導向與支撐元件，其斷裂失效，功能將完成喪失，失去了導向與支撐作用，車輪方向不受控制、前懸架直接趴下，如果是使高速情況下發生斷裂，嚴重影響到人員的安全，其嚴重度達到9/10級。

2 前下控制臂球銷松脫、異響

該種失效模式多產生在售后問題上，經過前下控制臂松脫、異響故障件進行解剖分析，發現零件球銷內部或有泥水等雜質進入，或干涸、球頭銹蝕、部分油質正常。球銷座結構及球銷故障件件圖10。

根據零件的故障件分析，導致前下控制臂球銷松曠、異響的的

圖11

圖12

圖13

············原因主要有以下因素:

(1)防塵罩的密封性不好，防塵罩的唇口部位與球銷軸徑處配合不好，這個和防塵罩的結構防塵罩的唇口制作精度、防塵罩橡膠的耐老化性都有關系，密封性不好進了進了沙石泥水破環內部潤滑脂，使球銷、塑料的球銷座早期磨損，出現球銷松曠異響。(2)球銷的加工精度，球銷的加工球面度不好，球銷容易早期磨損，尺寸過小球銷，也容易出現松曠、異響，甚至球銷脫出。這種模式是出現在球銷機加工的工序。需要控制機加工的精度。(3)球銷座壁厚不均，彈性件體積小受力后變形過大，球銷座耐久性能不佳，這個問題出現在塑料球銷座的注塑工藝，注塑模具有磨損或注塑過程壓力不足，有缺料現象。另外也和塑料球銷座的設計結構有關。在設計或制作過程中盡量使球銷座的臂厚均勻。(4)潤滑脂情況，潤滑脂本身質量不好，容易早期失效，起不到潤滑、散熱的作用，另外在裝配球銷工序注入的潤滑脂量不足，導致潤滑、散熱的作用不良，都容易出現球銷配合處零件的早期磨損導致松曠異響產生。控制潤滑脂質量、定量注脂是相當必要的。(5)球銷鉚合蓋板工序，鉚合過緊，容易鉚裂，漏潤滑脂，或鉚合力大，擺動力矩大，都容易出現送松曠異響，鉚合過松，球銷也會出現松曠異響，所以鉚合工序的鉚合力也是很關鍵的過程控制參數。前下控制臂球銷松脫、異響的問題，是容易引起客戶極大抱怨的問題，部分功能減弱在嚴重度的級別里應該可以達到7級，客戶也不接受該模式出現，所以了解其影響的主要因素，對零件的質量控制也有了一定的方向。

3 控制臂軸套滑移

控制臂軸套滑移的失效模式如圖11所示，分析其失效機理:四桿機構運動軌跡分析:在制動力F的作用下，擺臂受到力矩M的作用，繞擺臂軸套逆時針轉動一定角度;此時，軸套固定在前軸上，擺臂外鋼套受到的力大于軸套的壓脫力，外鋼套有位移，即軸套滑移現象，如圖12。外鋼套與前軸焊合件碰撞，產生異響。

根據以上分析，發現軸套滑移是軸套本身的壓脫力不足以克服所受的力產生的。軸套本身的壓脫力是在軸套合件壓裝工序產生的，這和壓裝時的壓裝力有關，更重要的是和外剛套與軸套合件的配合尺寸，軸套合件的剛度曲線，軸套合件的結構相關，如圖13所示，橡膠襯套結構與雙鋼套結構。橡膠與外鋼套過盈配合，拔脫力2500N，改用雙鋼套結構，通過鋼與鋼之間過盈配合，拔脫力能達到1萬牛以上，路試驗證無滑移現象。

所以控制內外軸套的尺寸、軸套合件的剛度曲線，采用可靠的結構能有效控制軸套滑移問題的出現。該失效模式產生的后果是外鋼套與前軸支架碰撞、摩擦異響，是容易引起客戶抱怨的問題，其嚴重度達到6或7級。

4 結語

綜上，前下控制臂作為汽車底盤懸掛系統的重要組成部件，其主要失效模式斷裂、球銷松曠異響、軸套滑移，其造成的后果對客戶影響很大，斷裂將涉及人員安全，球銷松曠異響、軸套滑移導致異響也會影響到客戶的不滿抱怨。了解了前下控制臂的失效模式及其后果，那么就需要在優化設計結構、提高產品過程控制能力，增加有效檢測手段方面努力，以避免類似失效模式出現，從而保護汽車用戶安全，提高汽車的舒適性與穩定性，提高客戶滿意度。