空氣懸架驅動橋橋殼的故障模式及可靠性研究

鄒華

摘 要：本文對驅動橋橋殼在汽車使用過程中的故障原因進行了分析，提出了優化方案，并對橋殼可靠性進行了試驗驗證。通過對故障件潛在失效模式進行分析，找出了懸架結構是影響橋殼故障的主要原因，建立了懸架橋結構的ANSYS有限元模型并進行了臺架試驗驗證，提出了降低橋殼故障率的方法，有效提高了橋殼可靠性。

關鍵詞：橋殼 有限元分析 優化方案 可靠性驗證

1 引言

橋殼作為驅動橋的重要部件，其主要作用是保護主減速器、差速器和半軸，保持左、右驅動輪的軸向相對位置固定，并支承車架及其上各總成質量[1-2]，橋殼的性能直接影響汽車的有效使用。為了提高橋殼的可靠性，沈曄超等對橋殼堆焊可靠性進行了研究[3]，盧劍偉等對路面隨機激勵下橋殼疲勞可靠性進行了分析優化[4]，張立春等建立有限元模型對橋殼的可靠性進行分析，探究了各隨機變量對驅動橋殼可靠性的影響[5]， 郭冬青等利用有限元對驅動橋試驗模型進行了分析和優化[6]，張義民等應用隨機攝動法對后橋殼進行了可靠性優化設計[7]。為此，本文針對橋殼在使用過程中出現下托板焊縫開焊開裂及橋殼焊縫端頭撕裂橋殼漏油等故障問題，對橋殼失效模式進行分析，找出了懸架結構是導致橋殼出現故障的主要原因，通過對結構受力分析，提出了在懸架結構上加設增強橫梁以減小橋殼受力的方法，并建立懸架橋結構的有限元模型及進行臺架試驗分析研究，最后對優化后的試驗車輛進行可靠性試驗，有效提升了橋殼可靠性。

2 故障原因分析

通過對失效件的分析可知，橋殼的故障模式主要表現為橋殼下托板焊縫開焊及橋殼從焊縫端頭開始撕裂、橋殼漏油，而這主要是由于焊縫和橋殼熔合深度的不同，當焊縫和橋殼熔合較淺時，焊縫開焊；焊縫和橋殼熔合較深時，橋殼撕裂引起漏油。但現在無法檢驗焊縫熔深，即使是剖切破壞，也只能看到一條水平線上的熔深，故無法從失效件去判斷焊縫熔深及影響。基于此，根據實際情況提出了幾種可能引起橋殼下托板開焊開裂的原因，包括：橋殼材質質量影響、橋殼中段成型工藝對下托板焊縫壽命有影響、焊接參數對下托板焊縫壽命有影響、焊縫結構及一致性影響、懸架結構影響等。依據國家及行業標準對橋殼及焊縫的結構和工藝臺架試驗，對材質尺寸等進行測量分析并對屈服強度等相關力學性能參數進行了試驗，找出引起橋殼故障的主要原因。

2.1 材質質量影響

為了驗證材質質量的影響，進行了失效件測量和試驗。測量了主減側、后蓋側橋殼與左右側下托板的尺寸及間隙發現，失效件橋殼與下托板尺寸及間隙大小均滿足要求，尺寸間隙不是下托板開焊和開裂的影響因素。并對失效件的C、Si、P等化學成分及鐵素體、珠光體等金相相性進行檢驗，發現失效件的成分及金相均符合標準要求，可知化學成分與金相也不是下托板開焊和開裂的影響因素。

2.2 焊接參數及橋段成型工藝影響

通過對橋殼中段成型工藝進行臺架試驗后發現，失效件橋殼的力學性能對下托板的焊縫具有影響，對橋殼進行冷壓試驗后，橋殼抗拉強度、屈服強度均偏高，且延伸率偏低，部分失效件不滿足標準要求。另外，通過對焊接參數進行調整后發現，在對焊縫進行冷壓試驗時，在保持焊接速度一致的情況下，分別使用250A、300A、350A的電流對橋殼進行臺架試驗，根據試驗結果發現焊接電流對下托板的焊縫具有影響，加大電流后臺架試驗次數提升，焊縫使用壽命提高。

2.3 焊縫結構及一致性影響

考慮到焊縫一致性的影響，對焊縫的融合深度，焊縫均勻性進行了冷壓及熱壓試驗，通過剖切焊縫對焊縫深度進行對比后發現，失效件整體焊縫分布不均，焊縫呈曲線型，焊縫的一致性對下托板開焊和開裂具有影響。在對焊縫結構進行疲勞試驗后發現，改變失效件焊縫結構，如延長焊縫、采用U型焊縫、焊縫形式改為搭接焊及將下托板結構做成8字型下托板外周圍焊或加長焊縫支腿內孔圓周焊后與常規焊縫進行對比發現，調整后的焊縫結構抗疲勞性能沒有明顯變化，焊縫結構并不是下托板開焊開裂的影響因素。

2.4 懸架結構影響

在對下托板進行受力分析可知，下托板所受的力或力矩主要有兩個，一個是氣囊及減震器傳遞到橋殼下托板焊縫上的彎矩力，另一個是下推力桿傳遞到橋殼下托板焊縫上的彎矩力。其中氣囊及減震器受力點與焊縫存在力臂，導致在YZ平面內存在一個繞X方向不斷變化的彎矩，氣囊及減震器對下托板產生下推力，受力點在焊縫上。選取常規結構、取消下托板結構、打緊焊結構進行分析，試驗過程中，托架、U型螺栓斷裂頻繁，和實際運行故障不符，判定此力不是影響下托板開焊開裂的主要原因。對懸架下推力桿受力位置分析時發現，下推力桿受力點與焊縫也存在一個Y方向上的力臂，導致在XY平面內存在一個繞Z方向不斷變化的彎矩，受力點在焊縫上。對懸架橋單獨加載下推力發現時下托板失效模式和實際運行故障相同，可證明懸架產生的下推力傳遞給橋殼的力矩過大是導致下托板開焊及開裂的主要原因。

2.5 原因判斷

在對上述原因進行驗證后發現：橋殼下托板開焊開裂的的主因是懸架結構下推力桿，次因是橋段成型工藝對、焊接參數、焊縫一致性。

3 橋殼可靠性驗證

在確定橋殼下托板故障主因后，通過建立橋殼懸架結構的有限模型對結構進行了對比分析，并對優化結構進行臺架試驗驗證，最后進行試驗車可靠性試驗，有效證明優化方案的可行性，解決了橋殼下托板開焊及開裂問題。

3.1 建立有限元模型

在建立懸架橋有限元模型時，橋殼單元類型為SOLID185，彈性模量為2.06GPa，泊松比為0.28，密度為7850kg/m3。對C型梁懸架橋及直梁懸架橋的原始方案與優化方案的橋殼應力進行了對比分析。優化方案為在懸架上增加橫梁，旨在改善橋殼受力，如圖1所示。

3.2 橋殼應力分析

對于原始方案，板座焊縫靠近橋包側應力均超過材料許用強度，與實際失效模式一致；為了減小懸架對橋殼的下推力，在懸架上增加橫梁后焊縫處應力均有所降低，其中C型橋橋殼下托板焊縫處應力最大降幅達69%，直橋橋殼下托板焊縫處應力最大降幅達30%，極大改善了橋殼受力情況。

3.2.1 C型橋應力分析

根據橋總成隨懸架變形情況對C型橋在垂向沖擊、側滑、制動三種工況下應力進行有限元分析如圖2～4所示，結果表明：三種工況下橋殼最大應力出現在與懸架結構相連接的下托板處。原始方案中垂向沖擊、側滑、制動三種工況下的橋殼下托板最大應力分別為352MPa、366MPa、376MPa；增設橫梁的優化方案中三種工況下橋殼下托板最大應力分別為121MPa、115MPa、115MPa；優化后橋殼下托板應力減小了66%以上，改善了橋殼受力。

3.2.2 直橋應力分析

在對直橋進行垂向沖擊和扭轉工況下的橋殼應力進行有限元分析如圖5～6所示，兩種工況下橋殼最大應力出現在與懸架結構相連接的下托板處。原始方案中垂向沖擊和扭轉工況下的橋殼下托板最大應力為474MPa和647MPa；增設橫梁的優化方案中兩種工況下橋殼下托板最大應力為407MPa和453MPa；優化后橋殼下托板應力分別減小了14%和30%，增設橫梁有效改善了直橋橋殼受力。

3.3 臺架試驗

將試驗橋與懸架總成后安裝在試驗臺架上，通過臺架對懸架橋加載一定的推力與拉力模擬整車工況。進行臺架試驗驗證數據樣本數量不少于4，臺架試驗次數分別為70.28、94.56、72.58、90.56萬次，試驗次數均超過50萬次；試驗結果顯示樣件均未損壞，通過在懸架橋上增設加強橫梁，可以有效改善橋總成及橋殼受力情況。

3.4 可靠性試驗

為了驗證優化方案的合理性，在懸架結構上增設橫梁后對試驗車進行了路面可靠性試驗，選取試驗車數量不少于3輛，行駛綜合路里程不小于10000km三個工況進行試驗，根據試驗車運行后試驗場統計數據可知，對懸架橋增設橫梁措施后，橋殼下托板未出現開焊及開裂情況，試驗滿足目標要求，優化方案有效可靠。

4 結論

（1）通過對橋殼下托板開焊開裂問題進行分析，確定了懸架結構為影響橋殼可靠性的主要原因。

（2）建立懸架橋結構有限元模型并進行臺架試驗發現：下推力桿受力導致下托板開焊開裂，增加橫梁后下托板焊縫性能顯著提高。

（3）有限元分析結果表明：原始方案中，C型橋及直橋板座焊縫處靠近橋包側應力均超過材料許用強度，與實際失效模式一致；增設橫梁的優化方案中焊縫處應力均有所降低，其中C型橋側滑工況焊縫處69%，直橋扭轉工況應力降幅達30%，增設橫梁有效減小了橋殼受力。

（4）對增設橫梁的優化試驗車選取樣本數量不少于3且綜合路里程不小于10000Km路面試驗發現，各試驗車性能良好，未出現在規定時間規定里程上橋殼開焊及開裂問題，加設橫梁后橋殼可靠性滿足要求。

參考文獻：

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[2]劉惟信．汽車設計［M］．北京：清華大學出版社，2001．

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[4]盧劍偉，王馨梓，吳唯唯．路面隨機激勵下輕型貨車驅動橋殼疲勞可靠性分析［J］．汽車工程，2016，38（1）：122-126．

[5]張立香，劉守榮．基于 ANSYS 的農機底盤驅動橋殼可靠性分析［J］．農業工程學報，2013，29（12）：37-45．

[6]郭冬青，張翠平，楊輝等．驅動橋殼的試驗模態分析及優化設計［J］．機械設計與制造，2015 （ 1） ：211-216．

[7]張義民，賀向東，劉巧伶．后橋殼的可靠性優化設計［J］．車輛與動力技術，2002，（1）：42-47．