某驅動橋氣室失效問題的分析及改進

黃彤，張陽，何念恒，邊佳婷

（陜汽商用車有限公司研發中心，陜西 寶雞 721000）

引言

某驅動橋彈簧膜片制動氣室前期已在某款成熟車型上投放市場應用，未反饋質量問題，但其在應用另一款車型時，在試驗過程中頻繁出現氣室底部撕裂等氣室失效問題，針對此問題，在新產品投入市場前，對此問題進行剖析，使產品性能進行提升增強。

1 概述

根據整車可靠性試驗反饋，某驅動橋在試驗過程出現氣室失效故障，故障模式如圖1所示，氣室底部通過螺栓與氣室支架連接處在試驗過程中先出現螺栓松動，進而出現底部開裂問題。在更換氣室后再次出現底部開裂問題，失效模式與前一次相同。該氣室前期已經在市場上批量投放，出現過個例類似問題。區別在于，市場車輛較試驗場路況較好，此次試驗是在試驗場強化路面進行。

2 原因分析

2.1 失效件外觀分析

對故障件進行分析，氣室整體無明顯磕碰跡象。觀察氣室開裂部位，端蓋沿安裝螺栓部位環形拉裂，正處于氣室端蓋應力集中點。該端蓋厚度圖紙要求為3.0mm，實際測量為2.98mm，符合圖紙要求，具體檢測情況詳見圖2。外觀分析檢測無異常。

圖1 故障模式

圖2 檢測詳情

2.2 金相材質分析

材料成分及金相組織檢測：對失效件前端蓋和加強板焊接部位的金相組織及材料成分進行檢測，失效件金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度加強板8級[1]，未發現失效件金相組織存在異常；圖紙要求端蓋、加強版材料為SPHC，實際測量失效件材料成分符合圖紙要求。

圖3 檢測報告

2.3 產品振動分析

此膜片彈簧制動氣室為我司較為成熟的氣室。該氣室在設計時要求滿足正弦頻率為 67Hz，加速度 16g 的振動標準。

為進一步驗證氣室振動性能，對此氣室進行了臺架試驗，氣室加速度 16g、67Hz 振動頻率檢測試驗報告如下。氣室符合設計要求。

圖4 振動性能檢測報告

2.4 氣室初始安裝角度的影響

根據常規經驗，制動氣室的安裝角度或安裝方式（即氣室軸線與地面的夾角）盡可能采用 90°垂直安裝，夾角越小安裝螺栓的承重力越大，容易導致端蓋出現撕裂的現象（≥45°為宜）。

根據三維以及實際裝車情況進行檢測，中橋制動氣室安裝后與地面的夾角約為 16°左右；后橋制動氣室安裝后與地面的夾角約為 90°左右。但在實際試驗過程中，中后橋氣室均出現氣室撕裂問題，因此判斷氣室角度非造成此問題的關鍵因素。

2.5 產品應力分析及強度分析[2]

結合氣室臺架試驗數據及整車試驗路面比較復雜的情況，對中后橋氣室進行靜強度，模態及疲勞分析。此次分析中，根據路面復雜情況，設定垂向沖擊加載為-20g，氣室支架與車橋連接處約束123456自由度，疲勞載荷選取完全正弦交變載荷進行分析，結果如下所示：

2.5.1 靜強度分析結果

中橋氣室底部和后橋氣室底部最大應力均小于材料屈服強度280MPa，滿足靜強度要求，說明此撕裂并非一次性撕裂造成。

圖5 靜強度分析結果

2.5.2 疲勞分析結果

根據加載分析結果，氣室底部螺栓與支架連接部位存在應力集中區域，垂向沖擊加載為-20g時，中橋疲勞壽命僅5.187E+3次，遠小于評價標準的1.0E+6次，因此可以確定造成氣室底部撕裂并非一次性撕裂，而是在持續振動過程中出現的疲勞撕裂。

圖6 疲勞分析結果

2.6 分析結論

根據以上的檢測分析及試驗信息，可以確認氣室底部撕裂主要是由于車輛行駛過程中，氣室底部在綜合路況下的振動情況比原始設計條件惡劣，氣室在持續振動過程中出現了疲勞撕裂。

3 優化改進級

3.1 改進措施

對氣室底部進行加厚，底部厚度由3.0mm增加至3.5mm，同時對氣室進行輕量化設計，氣室腔體由272mm減至255mm，重量降至11.5kg。

圖7 氣室優化

3.2 結果分析

3.2.1 結構強度分析

通過結構強度分析，垂向工況、轉彎工況及制動工況[3]下，中后橋氣室最小安全因子均大于2.5，滿足靜強度要求。

圖6 結構強度分析結果

3.2.2 疲勞分析

疲勞工況下，中橋氣室底部最小疲勞次數均大于1.0E+006次[2]，滿足疲勞要求。

圖7 疲勞分析結果

3.2.3 實際道路試驗

針對改進后的氣室進行10000km跟蹤路試，檢查氣室狀態確認無異常。

4 結論

本文通過對車輛氣室在實際振動作用下的撕裂故障進行了系統地分析，為今后氣室設計過程中的理論分析及實驗數據提供了保障。由此次問題解決及分析過程可以確定，常規的沖擊載荷設置，并不能作為設計的唯一依據，需結合有限元分析、試驗、實際道路的不同工況的驗證來保證產品強度。對于高頻振動部件，通過有限元分析，對應力集中點進行應力分散，并通過加強結構改變受力狀況，來對產品性能進行提升優化，不可一味地按安全系數判斷產品強度。