某驅動橋氣室支架斷裂分析及改進

李文博，王登平，李林

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

引言

氣室是重型卡車驅動橋所帶制動器的重要部件，能否正常工作影響到整車的制動響應時間。通常該類產品在投放市場以前，會經過有限元分析和振動試驗確認產品強度，結合道路測試確定整橋及橋上各附件的強度，而在產品投入到不同地區時，仍需要根據用途和工況進行區分，這會使產品的可靠性得到有效增強。

1 概述

根據市場反饋，某驅動橋出現氣室支架斷裂故障，故障件如圖1所示，斷裂部位在支架管部與氣室固定板之間，沿焊縫邊緣延伸至固定板。支架斷裂時，車輛僅行駛了 28335 km，屬于早期失效故障。該類支架已經在市場批量投放，未出現過同類故障。其中，較大的區別在于，同類型支架所匹配車型主要在普通及高速公路行駛，該車主要在礦區附近行駛。

圖1 故障支架

2 原因分析

2.1 斷口分析

支架裂紋邊緣呈現撕裂狀，斷開的支架拼接后，未發現缺口，沿焊縫檢查，未發現有氣孔、夾渣等焊接缺陷。從支架開裂趨勢來看，斷口邊緣30%左右的寬度范圍內，斷面較新，存在撕裂現象；靠管路一側70%范圍內，呈現分層斷裂痕跡，斷面較為陳舊。由斷裂現象經驗判斷，斷裂屬于疲勞斷口。斷痕及斷面如圖2所示。

故障發生順序應為：斷裂最早出現于固定支架與管焊接根部，細微開裂損傷出現后，裂紋逐步延伸至支架外表面，之后橫向擴展，當延伸長度超出支架寬度70%時，支架剩余金屬組織不足以繼續承受振動載荷，氣室在振動作用下將支架撕裂。

圖2 支架裂痕及斷面

2.2 材料分析

2.2.1 支架材質確認

該產品采用的材料為20#鋼，參照GB/T 699標準要求，該材料元素含量為C：0.17～0.24，Si0.17～0.37，Mn0.35～0.65，S≤0.035，P≤0.035。對故障件及同批次產品分別進行取樣檢測，其中故障件檢測結果為：C:0.20,Si:0.18,Mn:0.45,S:0.011,P:0.015，同批次產品元素檢測值基本相當，可以認定產品材質未出現異常。

2.2.2 支架金相組織確認

該支架主要負載部分為管部和固定支架，管部和固定支架之間通過焊接連接在一起，為確定連接部加工缺陷，分別從斷裂部位及斷裂相對位置進行取樣檢測，取樣位置及試驗樣塊如圖3所示。

圖3 檢測取樣位置及所取樣塊

按照標準要求，材料基體組織應為鐵素體+珠光體，由金相檢測圖判斷，管部及固定支架的母材主要組織為鐵素體和珠光體，符合標準要求。支架基體組織金相如圖4所示，管部基體組織金相如圖5所示。

圖4 支架基體組織金相

圖5 管部基體組織金相

2.3 焊接質量分析

考慮支架是沿焊縫邊緣開裂，而焊縫的熔合區具有明顯的化學不均勻性及組織不均勻性，極易成為裂紋或局部脆性破壞的發源地，因此對焊縫處的質量進行了較為全面的檢測。因該支架已經經過試驗及道路測試，所以本次主要是對焊接工藝的穩定性進行了相應的檢測確認。

2.3.1 焊接尺寸確認

通過對焊縫尺寸的測量，確定產品工藝執行的穩定性，具體檢測尺寸如表1所示，檢測位置如圖6所示，由測量的尺寸來看，所有尺寸均符合工藝要求，未出現焊高、熔深、熱影響區域的尺寸缺陷。

圖6 焊縫測量示意圖

表1 焊縫尺寸檢測表

2.3.2 焊接區域硬度

為確定焊接過程未出現異常，對焊縫的相關區域的硬度參數進行測量，確定在焊接過程中未出現過燒產生的脫碳現象、未完全融合等問題。其中管部基材硬度為165、148、147、143、132、135(維氏硬度)，固定支架基材硬度為155、154、148、141、145、131(維氏硬度)，熔合區硬度為 292、254、264、272、289、279(維氏硬度)，未處理的 20#鋼的硬度≤HV165，熔合區硬度應≤HV350，且取樣點的檢測數據呈現較為穩定的分布，未出現過高或過低的區域，即熔合區過程未出現明顯的焊接缺陷。

2.3.3 焊接熱影響區域金相

針對熱影響區域進行金相檢測，確定未出現有害的金屬組織，由金相檢測圖觀測，管部及固定支架金相組織為貝氏體，未出現有害組織。支架及管部熱影響區域金相分別如圖7、8所示。

圖7 支架熱影響區金相

圖8 管部熱影響區金相

由檢測結果綜合判斷，支架的焊接過程未出現異常，焊接工藝應處于穩定狀態。

2.4 產品應力分析及強度確認

2.4.1 氣室支架安裝在驅動橋的主減或牙包側

在車輛行駛過程中，受到車輪傳遞來的振動，氣室會受到6個方向的振動加速度作用，因此，為了較為準確的計算產品在行駛過程中受到的沖擊，將早期收集的路譜信息作為輸入條件對產品進行了有限元分析，同期采集用戶主要行駛路段的路譜信息用于加載比對。輸入條件1（普通公路）為：氣室支架重力125N、垂直方向加載25G、前后方向加載15G、側向加載 10G。輸入條件 2（用戶信息）為：氣室支架重力125N、垂直方向加載25G、前后方向加載15G、側向加載12G。以氣室支架安裝部位為固定點對分別按條件1、2進行加載，結果如圖9、10所示。

圖9 條件1分析結果

圖10 條件2分析結果

根據加載結果分析，固定支架與管部的連接部位存在應力集中區域，在條件1、2下所受應力分別為32mPa、38mPa左右，遠低于材料屈服強度 245mPa，按照計算，安全系數已大于 2，因此這也印證了斷口分析過程中的推論，該支架的斷裂應非一次性斷裂，而是在持續振動過程中先出現疲勞裂痕，然后逐步出現擴展，最終發生斷裂。

2.4.2 支架強度驗證

首先，針對問題的發生采用普通公路路譜對同批次支架進行了臺架試驗，試驗持續100小時，折合車輛行駛約100萬公里以上，未出現斷裂故障。然后，采用用戶信息重新進行臺架試驗，支架在振動至15h后，在與故障支架相似位置出現了輕微裂痕。

2.5 分析結論

根據上述檢測及試驗信息，已可確認，氣室支架的斷裂，主要是由于在車輛行駛過程中支架受到的綜合振動情況要比原設計輸入條件惡劣，支架在較高強度的振動作用下在應力集中位置發生疲勞斷裂。

3 優化改進

3.1 改進措施

圖11 支架改進示意圖

為分散應力集中位置，改善支架焊接部位的受力狀況，在固定支架側邊增加一與固定面成155°的加強筋。

3.2 結果對比

1）按照用戶信息，對改進后支架做重新加載，經過加載確認，原開裂部位的應力由38mPa降低至17mPa以下，應力已得到有效分散。分析結果如圖12所示。

圖12 改進后分析結果

2）振動試驗測試：由于斷裂時，支架所受應力遠小于材料屈服極限，為確保支架的使用壽命達到要求，在完成分析改進后于臺架試驗又進行了重新試驗，試驗超過100h，支架未出現異常，支架理論使用壽命已超出驅動橋B10壽命（100萬公里）。

3）實際道路測試：針對改進后支架進行超10萬公里的行駛測試，檢查確認無異常。

4 結論

本文通過對牽引車氣室支架在實際振動作用下的斷裂故障進行了較為系統的分析，在牽引車驅動橋上支架類產品的設計過程中，綜合運用理論及試驗數據是保證產品使用性能的基礎保障。由案例可以確定，傳統的安全系數設置建立的經驗基礎，并不能作為設計的唯一基準，結合有限元分析、試驗、實際道路數據可以有效的保障產品靜載、動載強度。同時，對于高頻振動部件，需要結合有限元分析對應力集中位置進行分散，并采用有效加強結構改善主要受力位置的受力狀況，不可一味的按照安全系數判斷產品強度。

參考文獻

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