某皮卡車型半浮式后橋臺架失效分析及優化

莫偉忠，徐海軍，黃榮國，黃恒仕

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

當今汽車市場上，皮卡汽車均為后驅或者四驅配置。在汽車底盤傳動零部件中，驅動橋起著關鍵作用。按照驅動橋結構分類，皮卡汽車的后驅動橋屬于半浮式驅動橋。它的主要作用是將傳動軸傳遞過來的汽車動力，通過減速增扭，傳遞到兩端驅動輪上，進而驅使汽車前進[1]。驅動橋一般通過鋼板彈簧或者上下擺臂等多連桿與汽車相連，因此自身會承受一部分的整車總重量。

在汽車行駛過程中，驅動橋受力工況復雜，其自身的結構設計、零件強度及零件間的匹配等，都將直接影響整車的安全性、NVH及乘坐舒適性。皮卡車行駛工況一般較為惡劣，驅動橋一般都需要進行可靠性、耐久性道路測試，以此驗證驅動橋的各零件設計性能是否符合要求。但實車測試一般周期都在3個月以上，因此產品開發初期必須通過臺架試驗對產品進行模擬驗證，最大程度上解決設計潛在風險問題。某皮卡車型在設計開發的前期，半浮式后橋在進行臺架試驗驗證時，減震器支架所在的橋管位置發生開裂。本文針對其開裂問題，通過臺架試驗與CAE分析相結合，成功解決了開發初期該車型后橋的設計問題。

1 臺架失效情況描述

某皮卡車型半浮式后驅動橋，在設計初期，按照行業標準QC-T 533-2020《商用車驅動橋總成》相關規定進行橋殼垂直彎曲疲勞臺架試驗[2]。利用液壓伺服試驗系統，模擬驅動橋在整車上的姿態，按照后橋滿載軸荷的2.5倍對后橋殼進行加載。按QC-T 533-2020加載要求，具體臺架情況如圖1所示。試驗載荷波形為正弦波，試驗頻率選擇5 Hz?；谝陨蠗l件，結合車型自身定位的需要，要求試驗做到橋殼損壞即可停止試驗。試驗結果要求單根樣件試驗次數≥80萬次，連續5根同時滿足該試驗次數，橋殼本體未出現任何故障即為合格。

圖1 橋殼垂直彎曲疲勞臺架試驗

第一臺后橋樣件在橋殼疲勞次數到達76.8萬次的時候，橋殼左減震器支與橋管焊接的區域，橋管開裂，試驗設備停機報警。觀察開裂區域，發現橋殼本體開裂嚴重，如圖2所示。裂縫沿著減震器支架角焊縫區域延伸，一直撕裂到橋管的本體，橋殼兩端直焊縫均已撕裂。

圖2 左減震器支架區域橋管開裂

2 開裂原因分析

針對后橋樣件試驗次數接近目標值80萬次時失效，需要從多方面潛在原因進行分析及排查。首先，需要確定試驗所用的零件及材質是否符合設計要求。橋殼本體使用B510L的鋼材，減震器支架使用SAPH440。實際材質達不到標準的話會引起試驗樣件的開裂。其次，焊接參數（電流、電壓等）的設置，也會直接影響焊縫的熔深，導致焊縫因熔深不足先行開裂，引起橋殼本體的開裂。除此之外，開裂區域在橋殼受載時，所受應力的大小是否超過材料的屈服極限也是思考方向之一。以下從CAE結構分析、零件材質、焊接參數及焊縫結構方面對開裂原因進行詳細分析。

2.1 CAE結構分析

按照臺架試驗的加載工況，對后橋進行了CAE仿真分析[3]。加載力按照2.5倍的后橋滿載軸荷，加載點選擇后橋的板簧距兩端，如圖3所示。分析應力云圖如圖4、圖5及圖6所示。

圖3 CAE加載

圖4 橋殼CAE分析受力云圖

圖5 左減震器支架區域

圖6 右減震器支架區域

從CAE受力分析可知，整個后橋，應力最大區域均集中在左右減震器支架角焊縫附近。左減震支架角焊縫附近最大應力為250.3 MPa，右減震器支架角焊縫區域附近最大應力為248.4 MPa，均小于B510L材料的屈服強度355 MPa及SAPH440材料的屈服強度305 MPa。因此，產品結構及材料牌號的選用無問題，由于整車接口條件的限制，目前減震器支架位置無法進行調整，故后橋的最大應力區域位置已經固定，只能從其他方面想辦法，避免焊接導致的應力集中。從CAE結果分析看，后橋危險區域與臺架實際失效區域相吻合。

2.2 零件材質分析

檢查減震器支架與橋管搭接間隙為0.2 mm，未超出最大搭接間隙0.5 mm的范圍。對失效零件進行切割取樣，按照Q/BQB310-2014《汽車結構用熱連扎鋼板及鋼帶》進行化學成分檢測[4]，檢測結果見表1。橋殼本體-材質B510L及減震器支架-材質SAPH440化學成分均滿足標準要求，排除了由于材料不合格導致減震器支架區域附近橋管開裂的可能。

表1 零件材質檢驗

2.3 焊接參數及焊縫結構

焊縫熔深是焊接質量評判的重要標準之一，對焊縫熔深影響最大的因素是焊接參數，即焊接時的電流、電壓。對臺架失效樣件的過程參數排查，獲取臺架故障件焊接參數見表2。此焊接參數與相近的后橋產品相比，電流電壓屬于正常范圍。在該焊接參數下，對焊縫熔深進行檢查，結果見表3，滿足本企業標準要求。

表2 臺架失效件焊接參數

表3 臺架失效件熔深檢測

但是由于減震器支架焊接區域屬于最大應力集中區域，因此故障件的焊接參數可能選取不合適，是造成臺架失效的可能原因之一。

觀察失效臺架件焊縫結構，焊縫的長度較短，起弧、收弧點均在零件連接處，如圖7所示。一般來說，起弧點屬于能量釋放的起點不是特別穩定，會造成起弧點處的焊縫質量水平相對較差。對標行業同類產品，對于應力集中區域的焊縫，一般不選用垂直焊縫，且焊縫適當外延10～15 mm，將起弧點引出兩零件的搭接區域。因此，減震器支架與橋管焊縫設計不合理，也是臺架失效的可能原因之一。為此，需要對焊縫的結構進行進一步的研究與改進。

圖7 臺架失效件焊縫起弧位置

3 優化設計及驗證

針對上述分析，對焊接參數、焊縫結構進行優化設計并安排臺架驗證。

3.1 優化方案一

由于焊接參數直接影響焊縫質量，且從失效臺架件的熔深參數看，焊接電流還有較大優化空間。理論分析，在保證零件焊接熔深的條件下，盡量選取較小的焊接電流及電壓，焊接時釋放更少的能力，減小零件的熱影響。因此，在失效臺架件焊接參數的基礎上，對焊接電流及電壓進行了適當調低，參數見表4。

表4 優化方案一焊接參數

除此之外，針對焊縫起弧點在角焊縫上導致焊縫強度變弱的情況，對焊縫進行更改，起弧點引出至零件搭接區域外，即焊縫往外延伸10～15 mm后再起弧，如圖8所示。焊縫的延伸也有利于減少區域的應力集中。按照以上方案制作臺架樣件2臺，試驗次數分別為87萬、89萬，雖然試驗合格，但失效模式還是左減震器支架焊接區域橋管開裂，如圖9所示，說明本方案有一定提升，但未最終解決開裂問題。

圖8 焊縫延伸

圖9 優化方案實際焊縫

3.2 優化方案二

從優化方案一的試驗結果來看，焊接參數的改變及焊縫結構的改變，對試驗次數的提升有著決定性作用。為進一步提升產品性能，需對焊縫結構進行更進一步的優化。減震器支架與橋管連接的焊縫屬于垂直焊縫，在試驗過程中，垂直受力像一把刀一樣切割橋管，導致橋管開裂。參考行業內相關產品處理方法，焊縫延伸的同時，由直線延伸更改為八字形的延伸，角度取35～45°，如圖10所示，起弧點同樣選在零件搭接外側。同等條件下，八字形焊縫對應力的分散效果更有效。按照該方案制作臺架樣件，試驗次數進行到150萬均未出現任何故障，橋殼疲勞壽命提升40%以上。

圖10 八字形延伸焊縫

3.3 方案對比

針對橋殼臺架失效問題，目前提出了兩個優化方案，試驗結果及方案描述對比見表5，兩種優化方案都可滿足橋殼疲勞80萬次的要求。綜合對比后，最終選擇兩種方案相結合的方式，即在保證零件熔深的前提下，降低焊接電流及電壓，同時改變焊縫的結構形式。采用此種綜合方案，從根本上解決了該車型的橋管開裂問題。

表5 優化方案

4 結語

在某皮卡半浮式后橋產開開發前期，在進行臺架試驗過程中，出現了減震器支架焊接處橋管開裂的失效模式。本文針對該失效模式，在CAE分析的基礎上，進行了零件材質、焊縫熔深質量、焊縫結構等分析，最終通過調整焊接參數及改變焊縫結構徹底解決了該失效問題，確保了產品設計的可靠性。同時，也為后橋相似產品的焊接提供了借鑒，對后續同類產品的開發具有重要意義。