底盤前軸總成開發介紹與常見問題分析

施鴻煒

(1、東南(福建)汽車工業有限公司,福建 閩侯350112 2、福州大學,福建 福州350108)

1 前軸總成介紹

前軸總成(AXLE ASSY FRONT)屬于汽車動力系統中傳動與制動系統部件。由于汽車使用工況多變導致前橋的受力情況比較復雜, 除承受垂直載荷外, 還承受縱向力、側向力及其力矩。一端連接汽車避震,一端通過驅動軸與離合器連接,一端連接汽車輪胎,是汽車中非常重要的零部件之一,屬重保件,有任何不良將導致車毀人亡的嚴重后果。

1.1 前軸總成分件構成介紹

前軸總成由其重要分件:制動器(又名剎車夾)、軸承、HUB(又名輪轂)、羊角(又名轉向節)、剎車盤構成；其中還包含一些非重要分件如：檔泥板、油封、組立螺栓、油管等。

1.2 前軸總成工作原理

通過發動機將扭力、轉速輸出給驅動軸, 再傳遞給前軸總成,傳遞給輪胎,達到扭力輸出, 汽車行駛。當駕駛人員踩剎車時,剎車油路中供油,推動制動器中油壓缸,制動器夾住剎車盤,輪胎隨同被夾住,從而達到汽車剎車功能。

1.3 前軸總成的對手件們

驅動軸:連接離合器變速箱進行動力輸入；

輪胎:扭力輸出,轉化為汽車行駛；

轉向機:控制車輛轉向方向,增大方向盤傳到轉向傳動機構的力和改變力的傳遞方向；

避震器與穩定桿:麥弗遜獨立底盤懸架特色之一,在車輛過坎與急轉彎時作用,使底盤更好操控性和乘車舒適性。

圖1 與圖2 為前軸總成在汽車底盤中的布置狀況與自身的組成成分,前軸總成作為汽車底盤重要組成部分,承擔承重、支承、轉向的功能,屬于汽車上重保零部件。前軸總成除了承受汽車的重量外,還承受地面和車架之間的垂直載荷、制動力、側向力以及側向力所引起的彎矩等,所以其開發過程的項目管控與品質管控尤為重要。

圖1 前軸總成

圖2 前軸總成與對手件

2 前軸總成開發與項目管控重點

本次車型之前軸總成開發流程,包括前軸總成設計、分件設計及制造、單品試驗確認、整車試驗確認、生產線安裝調試使用及總成PPAP 確認等主要步驟。

2.1 項目管控重點- 前軸總成設計

前軸總成設計通常從整車載重、使用工況、耐久壽命方面著手研究計算,對羊角、制動器等進行強度設計與CAE 分析,對軸承進行疲勞強度計算,以得到為滿足車型所需的強度要求。

2.1.1 設計材料的選定

轉向節承受汽車全部的載荷,支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態下,它承受著多變的沖擊載荷,因此,要求其具有很高的強度。

根據設計構想書需求：根據車身重、最大速度,通過CAE 計算分析,轉向節需用優于抗拉強度400MPa 的材料。

載荷公式：G=mg,車重M=1.6t,m≈1/4M=0.4t。

實測極限狀態下轉向節承受小于6G 的力(考慮安全系數,設計時轉向節受力取8G)。再根據轉向節最小截面積,就可計算其所受應力,故得出對應的材料強度為400MPa。

考慮到安全裕度,本次轉向節選擇FCD500K,抗拉強度可達500MPa,球磨鑄鐵,有很強的機械性能,大于設計裕度。

剎車盤是制動系統中一個很重要的部件,除了承受整車的剎車力,還要求制動穩定、沒有噪聲、不抖動、耐高溫、散熱性能佳；而且硬度不能比剎車片低,因為剎車盤與剎車片相互摩擦時,要盡量靠磨損硬度相對低的剎車片來制動。綜上,剎車盤需選用鑄造性能強,但塑性和韌性低的灰口鑄鐵。因其良好的減震性、導熱性、流動性、降低異音及不易開裂等特性適合剎車盤的材料。本次車型選用東南及三菱所有車型共用的材料FC250D(灰口鑄鐵250)。機械性能要求：抗拉強度>=206MPa,硬度要求在：187～241HBS 之間。

2.1.2 設計工藝選定

根據使用情況,加工工藝分為需鑄造成型：羊角、剎車盤、制動器本體；鍛造成型：HUB、軸承內外圈；高溫燒結：剎車蹄片；沖壓成型：擋泥板、油封等；高精密機加：軸承內溝道、轉向節機加工等。

2.1.3 模具設計

鑄造模具需進行模流分析,因液態的鐵水在模具中流動、固化、冷卻成型,需分析避免因熱脹冷縮不均等導致鐵水縮口、沙眼等鑄造缺陷。

圖3 轉向節鑄造模

圖4 鑄造模模流分析

鑄造模具(如圖2 為轉向節鑄造模)是指為了獲得零件的結構形狀,預先用其它容易成型的材料做成零件的結構形狀,然后再在砂芯中放入模具,于是砂芯中就形成了一個和零件結構尺寸一樣的空腔,再在該空腔中澆注流動性液體,該液體冷卻凝固之后就能形成和模具形狀結構完全一樣的零件了。

采用澆鑄的方式制作。鑄件成形要經歷鐵水的液態收縮和凝固收縮階段。在鑄件成形過程中,合金的液態收縮和凝固收縮會使鑄件產生縮孔和疏松缺陷,尤其是對于尺寸大且不規則的轉向節,往往因為澆注時補縮不良而導致縮孔、疏松,導致鑄件質量差。鑒于此,防止鑄造缺陷,有必要在模具設計時進行模流分析(如圖3 為轉向節鑄造模模流分析)。利用計算機模擬分析,鐵水經澆口、冒口、流道的流速,再分析冷鐵與澆注系統、冒口系統中溫度變化情況,合理控制鑄件的凝固順序,消除縮孔和縮松等鑄造缺陷,以獲得合格的鑄件。

2.2 項目管控重點- 性能試驗

2.2.1 單品性能試驗

鑄造件試驗包含化學性能與物理性能檢測：(1)化學成分分析(激光燒蝕分光儀檢測,在線全檢,在線微調化學成分)；(2)機械性能檢測(硬度、抗拉強度)；金相(基體組織、石墨形態)；x 光探傷；超聲波測球化率。

鑄造件羊角(轉向節) 試驗技術要求主要根據規范為ES-X51006(球墨鑄鐵試驗規范)。

(1)取樣檢測位置：一般羊角(轉向節)單品性能的取樣點需覆蓋所有應力點。在每個折彎處都需有取樣。取樣采機械切割破壞方式,后經打磨、箱埋后制成樣件塊。

(2)化學成分檢測：檢測C、Si、Mn、P、S、Mg、Ni 七大元素的含量。

(3)機械性能檢測規格如下：檢測硬度(HB170～240)、抗拉強度(大于500N/mm2)、屈服強度(大于350N/mm2)、延伸率(需大于7%)；以判定鑄造件的物理性能。

(4)基體組織及球化率檢測：通過金相分析,明確基體組織、石墨尺寸、球化率；以判定鑄造石墨鑄鐵基體變化情況。

按照SPEC 要求: 基體組織需控制為鑄造珠光體+50%↓(↓代表含量控制在數值范圍以下)鐵素體+5%↓碳素體；石墨尺寸為小于60μm↓；球化率需達80%以上。

(5)X 光探傷檢測：相交磁粉探傷,可探測內部是否有缺陷；且如內部有裂紋,目視效果更佳。

2.2.2 前軸總成整車試驗

前軸總成組立完成后,進行總成整車裝備前試驗,包括尺寸確認,性能確認,零件可靠性確認,各種不良情況下零件確認等等。主要包括：(1)總成圓端面跳動檢測；(2)啟動扭轉力矩檢測；(3)擋泥板與剎車盤間隙量；(4)制動器氣密性檢測；(5)軸承軸向游隙檢測；(6)涂裝件耐蝕性。

整車整備完成后,確認短路程的裝配性、功能使用性及可靠性。進行n〉3 臺份的整車裝備后試驗,包括：3 萬公里惡路耐久(路力相當正常行駛20 萬公里)；1 萬公里驅動耐久；wash out沖擊試驗。

在完成首次整車驗證后,如沒有設計方面重大問題,則可以進行生產線規劃,進行設計、工裝治具制造、安裝調試、確認批量生產節拍、不良率,最后進行總成零件PPAP 審核。PPAP 是對生產件的控制程序, 也是對質量的一種管理方法。完成PPAP 審核,就具備了量產供貨資格了。

3 前軸總成開發常見問題分析

在車型開發結束后,對車型進行經驗及問題點的總結,同時將車型開發遇到的問題點剖析徹底,并最終在組內及系統團隊中轉訓,確保團隊成員能吸取經驗及教訓。避免后續車型開發中重蹈覆轍,對知識何經驗的傳承有重要意義。

3.1 問題類一：設計類問題

汽車底盤往往是多個零部件、多個系統(有制動系統、轉向系統、行駛系統、傳動系統)相互裝配相互組合而成的。比較常見的設計類問題包括零件在設計過程中的錯誤,導致其幾何形狀、尺寸上的缺陷,造成的裝配干涉；系統匹配時設計超差,導致配合過瀛。

案例一：車輛低速走行時,左/右前輪異音,金屬摩擦音

問題點調查：(1)現象：實車拆換,實物確認培林油封與ABS齒圈有磨損且發出異音。(2)圖面SPEC 調查,圖面經3D 校核,兩者有干涉：傳動軸圖面SPEC 間隙量10.5MIN,而油封圖面厚度標8mm 未注公差(國標為8±0.2),C 扣厚度2.4,兩者圖面理論值如果以上偏差將達到10.6mm,超過了傳動軸允許間隙10.5mm。

對策：修訂圖面將油封厚度由8±0.2 改為7±0.2,供應商配合修模。

經驗總結：(1)本次異音的尋找使用了FTT 分析儀(通過頻譜分析確認振動源),特別適合汽車底盤零部件行駛過程中產生異音來源的追蹤,通過頻譜分析,可在車輛行進中作業尋找異音源。(2)問題真因需從源頭圖面出發調查,確保改善方案有效。

3.2 問題類二：成車耐久試驗NG,作動件耐久壽命不足、受高低溫耐候不佳等

成車耐久是最能反映實車工況的試驗。對零部件進行質量進行測試,需要模擬各種工況、各種氣候。有n〉3 臺份的3 萬公里惡路耐久(路力相當正常行駛20 萬公里)；1 萬公里驅動耐久；wash out 沖擊試驗等。相對單品試驗花費多、試驗周期長。但除了驗證設計合理性、產品生產廠家制程與工藝穩定性,還能驗證作動件的耐久性、耐候性；相互配合件的作動關聯性。

案例二：成車惡路耐久2.2 萬公里,軸承失效

問題點調查：(1)現象：實車拆換、零件拆解,確認為軸承油封漏水,導致軸承溝道磨損。(2)圖面SPEC 調查,軸承油封為單層防護,Y 型密封結構。單層防護的效果不佳,1 道防護如遇泥水、碎砂等嚴苛環境將易破損。

對策：軸承油封設計變更,由單層防護變更為雙層防護式油封,改善漏水不良隱患。并將材質由NBR 提升為HNBR。

經驗總結：(1)丁腈橡膠(NBR)主要采用低溫乳液聚合法生產,生產工藝簡單較易產出,耐油性極好。其缺點是耐高低溫性差、耐臭氧性差,絕緣性能低劣,彈性較差。使用溫度范圍-30至120℃,廣泛用于制造各種耐油橡膠制品、耐油墊圈、電纜膠材料等。氫化丁腈橡膠(HNBR)是由丁腈橡膠進行特殊加氫處理而得到的一種高度飽和的彈性體。使其具良好的耐熱性能,優良的耐化學腐蝕性能,優異的耐臭氧性能,較高的抗壓縮永久變形性能；缺點就是相對比較貴。使用溫度范圍-40 至170℃。(2)轎車輪轂軸承單元實際運行中所受載荷和疲勞壽命的理論分析模型,計算得到不同工況下載荷的大小和輪轂軸承的疲勞壽命,轎車軸承的疲勞壽命約為2.77×108r,軸承最大應力產生于內軸根部與法蘭接合部,為259.94MPa。在受力的作動件設計時(如軸承、避震器、彈簧等),僅滿足作動耐久壽命需求是不夠的,應充分考慮提升設計裕度,往往我們會乘以相應的安全系數或做二道防護。

3.3 問題類三：單品臺架試驗NG,模擬汽車受載過程中零部件強度不足、斷裂等

單品臺架試驗是指產品出廠前,一般還要進行某些模擬試運行試驗。模擬汽車運轉過程,所受載荷、振動力等對零部件進行質量進行測試。相對成車試驗有易實現、較經濟、試驗周期短優點。單品試驗主要為驗證設計合理性、產品生產廠家制程與工藝穩定性。

案例三：羊角單品靜強度試驗中裂紋

問題點調查：原因：以8G 的拉力發現有裂紋,原因為鑄造不良。經金相分析,由于自動添加球化劑設備故障,球化劑添加過少,導致球磨鑄鐵在鑄造過程中球化率偏低。

對策：(1)根據鑄造標示,同一爐澆鑄的羊角報廢。(2)改善球化劑設備,并在線爐邊100%全檢化學成分。

經驗總結：(1)鑄造中的孕育和球化是針對球鐵而言的,球鐵是用灰鐵成分的鐵液經過球化處理和孕育處理方可得到。將球化劑(鎂或硅鎂合金)加入鐵水的操作過程叫球化處理、可獲得完整的石墨。球化處理的同時,須孕育處理——即讓石墨量增加,石墨球徑減小。孕育劑含有強烈促進石墨化的元素,通常是硅鐵和硅鈣合金。球化不良的產生原因很多,與球化劑中稀土元素種類、球化劑加入量、孕育劑、球化孕育操作方法、澆注溫度及澆注時間等因素密切相關。本次問題是因為球化劑鎂添加過少導致。(2)隨著自動化程度越來越高,依靠設備的越來越多。對于重保件的生產,需定期對設備點檢與校驗,更需100%線邊全檢其化學成分等重要性能。

4 總結與心得

隨著汽車工業的發展,汽車已不再單純的是一種交通工具,它已經是當代物質文明與科技進步的象征。汽車行業集機械、電子、化工、信息等工業于一體,反映了一個國家工業化、自動化水平。底盤系統作為汽車構架的基石,而前軸總成又是底盤系統內的關鍵。作為基石中的關鍵,重中之重的前軸總成的開發,更是開發管控的重點。經過前軸總成重保件的開發下來,除了需要有過強的專業知識,更應了解各質量管控Q-gate 重點,為汽車工業的發展貢獻力量。

在國內,許多整車企業的研發部門已經具有完備的軟硬件設施,但依然需要我們不斷學習、經驗積累、提升技術、提高質量,振興汽車行業這一民族產業。