關(guān)于某驅(qū)動(dòng)橋氣室支架斷裂的分析研究

胡萬良 方志剛

關(guān)于某驅(qū)動(dòng)橋氣室支架斷裂的分析研究

胡萬良1方志剛2

（1.方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

制動(dòng)器是制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，對(duì)汽車的安全行駛至關(guān)重要。如果氣室支架出現(xiàn)斷裂、氣腔脫落等故障情況，會(huì)引起剎車壓力不足，給司乘人員、財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。文章針對(duì)某驅(qū)動(dòng)橋氣室支架斷裂問題，通過金相檢驗(yàn)、有限元分析等方法對(duì)其斷裂原因進(jìn)行系統(tǒng)的分析，確定其斷裂原因是由于應(yīng)力集中引發(fā)的疲勞斷裂，結(jié)合圖紙分析探究了其結(jié)構(gòu)、加工等對(duì)產(chǎn)品性能的影響。研究可為后續(xù)氣室支架的改進(jìn)研究提供參考。

制動(dòng)器；氣室支架；金相檢驗(yàn)；結(jié)構(gòu)

引言

隨著我國(guó)各地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目的快速發(fā)展，卡車作為主要運(yùn)輸工具其需求量也在快速大幅增長(zhǎng)。氣室是重型卡車驅(qū)動(dòng)橋所帶制動(dòng)器的關(guān)鍵部件之一[1,2]，其工作性能對(duì)整車的安全制動(dòng)具有顯著影響。該類產(chǎn)品在上市之前，會(huì)經(jīng)過有限元分析、振動(dòng)試驗(yàn)后確定其強(qiáng)度，并結(jié)合道路測(cè)試確定驅(qū)動(dòng)橋整體以及橋上各附件的強(qiáng)度，確保其可靠性。而根據(jù)其投入使用地區(qū)的差異，需進(jìn)一步根據(jù)其使用工況及用途進(jìn)行區(qū)分，確保在不同使用環(huán)境中均具有較佳的可靠性[3-5]。

1　故障情況

根據(jù)反饋，某重型卡車驅(qū)動(dòng)橋的左氣室支架總成出現(xiàn)斷裂故障，故障件如圖1所示，斷裂部位位于底板連接面處，且宏觀氣室支架與螺栓裝配面已磨損起槽。氣室支架斷裂面粗糙，可見放射狀條紋和臺(tái)階條紋。氣室支架斷裂時(shí)車輛實(shí)驗(yàn)行駛里程為1692 km，屬于早期失效故障。

圖1　故障支架

2　原因分析

2.1　斷口分析

經(jīng)分析，左氣室支架總成在靠近底板連接面處發(fā)生斷裂故障，斷裂面較為粗糙，且清晰可見放射狀條紋和臺(tái)階條紋，說明在該處可能存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，氣室之間與螺栓裝配面處可清晰辨析已磨損起槽。對(duì)支架斷口進(jìn)行分析，如圖2(a)所示，在氣室支架端口上端斷面較為陳舊，可判定此處為裂源，而在其下方約30%區(qū)域，斷面較新，且存在一定的撕裂現(xiàn)象，因此分析此區(qū)域?yàn)樗矓鄥^(qū)。

基于上述分析，氣室支架的故障順序應(yīng)為：斷裂最先出現(xiàn)在氣室支架底板連接面處，當(dāng)細(xì)微的裂紋開始出現(xiàn)后，裂紋逐漸沿著支架底板連接處進(jìn)行圓周狀擴(kuò)展，當(dāng)裂紋的延伸長(zhǎng)度擴(kuò)展超出支架底板連接面處的70%時(shí)，支架剩余的組織將無法繼續(xù)承受振動(dòng)載荷。于是，氣室在振動(dòng)作用下將支架的剩余部位進(jìn)行撕裂。至此，氣室支架完全斷裂。

圖2　氣室支架斷面

2.2　材料分析

2.2.1支架材質(zhì)確定

氣室支架所用材質(zhì)為QT450-10，參照GB/T 699國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求可知，該材料的元素含量分別為C 0.17～0.24，Si 0.17～0.37，Mn 0.35～0.65，S≤0.035，P≤0.035。對(duì)本次故障件及同批次的氣室支架進(jìn)行隨機(jī)取樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示其C 0.20，Si 0.18，Mn 0.45，S 0.011，P 0.015，且同批次產(chǎn)品中元素含量基本一致，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，可判定本批次產(chǎn)品的材質(zhì)符合國(guó)家相應(yīng)的要求，未出現(xiàn)異常。

2.2.2支架金相組織確定

金相組織檢驗(yàn)按照GB 9441－2009中的有關(guān)要求進(jìn)行評(píng)定，檢驗(yàn)的依據(jù)為石墨球化分級(jí)為1～4級(jí)，基體組織為鐵素體-珠光體（≤20%），碳化物≤3%，材料應(yīng)為163 HBW～197 HBW。

根據(jù)斷口分析可知，本次氣室支架的斷裂順序?yàn)樵跉馐抑Ъ艿牡装暹B接處率先出現(xiàn)細(xì)微裂紋，隨后裂紋沿其連接面進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定程度時(shí)，由于剩余的金屬組織無法繼續(xù)承受源自氣室推桿的反推力而造成其瞬間撕裂，直至氣室支架的完全斷裂。因此，分析可知，其早期的裂紋是造成零部件最終完全斷裂的主要原因。

如圖3所示，在其較為陳舊的斷口區(qū)域（裂源區(qū)域）進(jìn)行取樣，取樣具體位置如圖3(b)所示，取樣的試塊如圖3(c)所示，試塊大致為30 mm×10 mm的矩形塊。

圖3　氣室支架金相取樣

氣室支架的金相檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為100X斷面組織，圖4(b)為100X斷面腐蝕前的組織，而圖4(c)為100X腐蝕后的斷面組織。金相檢測(cè)結(jié)果顯示其基體組織為鐵素體＋珠光體為35%，石墨球化級(jí)別為4級(jí)，基體硬度為178 HBW。結(jié)合其宏觀斷口分析，氣室支架斷裂面粗糙，存在放射狀條紋和臺(tái)階條紋的分析，可知?dú)馐抑Ъ軘嗔训脑驗(yàn)閼?yīng)力集中引發(fā)的疲勞斷裂。

圖4　氣室支架金相檢驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合金相檢測(cè)結(jié)果顯示的應(yīng)力集中引發(fā)的疲勞斷裂，進(jìn)一步分析造成其應(yīng)力集中的原因，為后續(xù)氣室支架設(shè)計(jì)和加工改進(jìn)提供依據(jù)。

首先對(duì)其試驗(yàn)工況進(jìn)行分析，本次試驗(yàn)環(huán)境惡劣，試驗(yàn)路面顛簸，造成氣室支架在作業(yè)過程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，加劇了零部件的疲勞破壞，導(dǎo)致了車輛的驅(qū)動(dòng)橋總成零部件的使用壽命減??；

其次，根據(jù)對(duì)斷裂零部件及同批次未使用零部件進(jìn)一步分析可知。如圖5所示，在氣室支架的加工面存在尖角，這也造成了氣室支架在作業(yè)過程中產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，加劇了氣室支架的損傷，減少了其使用壽命。

因此，在設(shè)計(jì)和加工氣室支架的過程中，應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)類似的尖角。在此問題中，出現(xiàn)尖角的原因尚需相關(guān)部門作進(jìn)一步分析處理。

圖5　氣室支架尖角

氣室支架的底部連接板出現(xiàn)的尖角極大的加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并最終導(dǎo)致了氣室支架的早期失效故障。如圖5所示，在氣室支架的底板連接處的整個(gè)面銑削或者車加工過程中，造成其尖角的存在，破壞了原有的鑄造圓角。尖角引起應(yīng)力集中并最終造成氣室支架的早期斷裂。該分析結(jié)果與金相檢驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.3　結(jié)構(gòu)分析

氣室支架作業(yè)過程中，氣室推桿的反作用力使法蘭的圓角反復(fù)受力，從而加劇了氣室支架的疲勞損傷速度。且氣室支架的結(jié)構(gòu)對(duì)氣室支架法蘭的受力具有較大影響，因此，本節(jié)將對(duì)該氣室支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以確定其受力狀況，為氣室支架的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考，如圖6所示。

圖6 氣室支架二維圖紙

氣室支架的結(jié)構(gòu)如圖7所示，氣室支架臂長(zhǎng)為280 mm，這顯著增大了氣室支架的扭轉(zhuǎn)力矩，造成氣室支架的法蘭圓角處反復(fù)受力，加劇了氣室支架的疲勞損傷。因此，在后續(xù)對(duì)該型號(hào)氣室支架及同類產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能的減小氣室支架的長(zhǎng)度，減小其扭轉(zhuǎn)力矩，避免其早期故障。

圖7　氣室支架三維模型

3　有限元分析

為驗(yàn)證前文對(duì)氣室支架斷裂分析原因的準(zhǔn)確性，本節(jié)通過三維建模軟件建立制動(dòng)氣室支架三維模型，并采用ANSYS Workbench進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1　網(wǎng)格劃分

將氣室支架的三維模型導(dǎo)入至hypermesh進(jìn)行零件網(wǎng)格的劃分，單元類型選擇為二階四面體。網(wǎng)格劃分的流程為首先進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，隨后對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行手動(dòng)的網(wǎng)格細(xì)分，劃分的單元格綜述為31523個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為48626個(gè)。

3.2　材料參數(shù)確定

文中研究氣室支架的材料為QT450-10，因此，在后續(xù)的分析中仍選用該材料，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3.3　受力工況計(jì)算

當(dāng)車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，駕駛?cè)藛T踩下駕駛室內(nèi)的制動(dòng)踏板，此時(shí)車輛的高壓氣體通過氣路管道的控制閥進(jìn)入到彈簧制動(dòng)氣室的行車制動(dòng)腔，壓縮空氣對(duì)內(nèi)部膜片，進(jìn)而對(duì)制動(dòng)室推桿向外推出，氣室推桿被外推出后會(huì)推動(dòng)制動(dòng)臂進(jìn)行選擇，又制動(dòng)臂帶動(dòng)制動(dòng)鼓內(nèi)部的凸輪軸打開，從而使制動(dòng)蹄的摩擦片與制動(dòng)鼓進(jìn)行接觸產(chǎn)生摩擦，從而對(duì)車輛形成制動(dòng)效應(yīng)。

在車輛行駛的過程中，車身會(huì)受到來自車輪的振動(dòng)，此時(shí)氣室會(huì)受到6個(gè)方向的振動(dòng)加速度。因此，為了保證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，在前期對(duì)車輛在行駛過程中的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集，以便于在仿真計(jì)算過程中計(jì)算車輛在行駛過程中的受到的沖擊，將前期對(duì)車輛行駛過程中振動(dòng)信號(hào)作為輸入條件，同時(shí)對(duì)測(cè)試過程中的氣室支架收到的沖擊。加載條件為：氣室之間重力為125 N、豎直方向上的加載為12 G、車輛行駛方向收到的加載為15 G、車輛行駛方向的側(cè)向加載為10 G。此外，氣室支架與車橋橋殼通過螺栓進(jìn)行固定連接，在仿真參數(shù)設(shè)置時(shí)，將氣室支架與車橋橋殼設(shè)置為緊固約束。

在ANSYS Workbench中，根據(jù)車橋總成上氣室支架的作業(yè)受力狀況，首先對(duì)氣室支架的邊界條件進(jìn)行約束，并按照前文分析的氣室支架作業(yè)過程中的受力狀況進(jìn)行外來載荷的施加，通過約束與制動(dòng)器安裝底板處的4個(gè)螺栓空的全部自由度，然后在與氣室相連的2個(gè)孔處施加作用力，運(yùn)算計(jì)算程序進(jìn)行求解，得到優(yōu)化前的氣室支架的應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8　氣室支架應(yīng)力云圖

根據(jù)加載結(jié)果分析，在底板連接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力，因此，在氣室支架的作業(yè)過程中在底板連接處會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力，而且應(yīng)力集中在一側(cè)，其應(yīng)力最大處為147.67 MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服極限。這與前文分析結(jié)果基本一致，造成材料斷裂的原因并非一次性過載斷裂，而是在作業(yè)過程中反復(fù)的振動(dòng)沖擊造成其疲勞損傷，出現(xiàn)裂紋，并在隨后的作業(yè)過程中裂紋沿支臂蔓延，并最終在剩余金屬組織無法承受外界的振動(dòng)載荷時(shí)發(fā)生完全斷裂。在分析過程中發(fā)現(xiàn)，底部連接板處為氣室支架的應(yīng)力集中區(qū)域，結(jié)合前文的斷面分析可知，在氣室支架的加工過程中產(chǎn)生了尖角，而對(duì)零部件的分析過程中，并未考慮到加工產(chǎn)生的尖角對(duì)氣室支架的影響。底部連接板處存在的尖角將進(jìn)一步加大其應(yīng)力集中，造成了快速的早期斷裂故障。因此，對(duì)氣室支架的加工提出進(jìn)一步要求，避免尖角的產(chǎn)生。

3.4　分析結(jié)論

根據(jù)上述檢測(cè)及仿真結(jié)果可知，本案例中氣室支架的斷裂主要是由于車輛在測(cè)試過程中受到較為嚴(yán)重的沖擊，而氣室支架的底板連接處本就受到較大的應(yīng)力，外加氣室支架在加工過程的底板連接處存在的尖角，進(jìn)一步加大了底板連接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而氣室支架在較高強(qiáng)度的振動(dòng)作用下在應(yīng)力集中位置發(fā)生疲勞損傷，出現(xiàn)了早期裂紋，而隨著后續(xù)測(cè)試的開展，裂紋被逐步擴(kuò)展，并最終剩余的金屬組織無法制成外來振動(dòng)載荷沖擊的情形下發(fā)生斷裂。該分析與前文對(duì)氣室支架斷口分析的結(jié)果基本一致，這也側(cè)面印證了有限元分析的真實(shí)性與可靠性。

4　優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)氣室支架的測(cè)試過程中出現(xiàn)的斷裂故障，對(duì)其進(jìn)行金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，本次使用的材料合格，且對(duì)本批次氣室支架進(jìn)行抽樣檢測(cè)結(jié)果顯示，同批次產(chǎn)品中元素含量基本一致，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，可判定本批次產(chǎn)品使用的材質(zhì)復(fù)合國(guó)家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，氣室支架的斷裂故障與所用材料無關(guān)。對(duì)其進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)合斷口分析，本次氣室支架斷裂為早期出現(xiàn)的疲勞損傷裂紋，隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展最終導(dǎo)致了氣室支架的斷裂。隨后對(duì)氣室支架進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)氣室支架底部連接板處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)合結(jié)構(gòu)分析可知，氣室支架臂長(zhǎng)為280 mm，這顯著增大了氣室支架的扭轉(zhuǎn)力矩，從而造成氣室法蘭圓角處反復(fù)受力，加劇了氣室支架的疲勞損傷。綜合前文的故障分析，對(duì)氣室支架的改進(jìn)提出如下建議。

（1）在氣室支架的底部連接處布置加強(qiáng)肋板。經(jīng)本文計(jì)算分析，在氣室支架的底板肋板處存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成氣室支架使用過程中氣室支架的底部連接處為危險(xiǎn)區(qū)域，易發(fā)生疲勞損傷并最終導(dǎo)致氣室支架的斷裂。

（2）應(yīng)盡可能地縮短氣室支架支臂的長(zhǎng)度。分析可知本案例中氣室支架支臂的長(zhǎng)度過長(zhǎng)，在其作業(yè)過程中會(huì)對(duì)氣室支架底部造成較大的扭轉(zhuǎn)力矩，進(jìn)一步加劇了氣室支架的損傷。因此，在設(shè)計(jì)的合理范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能地縮短氣室支架支臂的長(zhǎng)度，以避免其發(fā)生早期斷裂。

（3）應(yīng)避免氣室支架底部連接處出現(xiàn)尖角。氣室支架的底部連接處本就屬于應(yīng)力集中區(qū)域，本案例的早期失效故障的原因就是氣室底部連接處存在尖角，這嚴(yán)重的加劇了氣室支架底部連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成了在測(cè)試階段出現(xiàn)斷裂。

此外，在對(duì)氣室支架進(jìn)行有限元分析過程發(fā)現(xiàn)，氣室支架存在較大輕量化設(shè)計(jì)空間，應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn)，該氣室支架底部連接板處出現(xiàn)較大的應(yīng)力，而在氣室支架的另一端則受力較小。因此，在底部連接板等受力較大的區(qū)域應(yīng)盡合理的布置更多的材料，而在另一部應(yīng)力較小區(qū)域可布置較少的材料，實(shí)現(xiàn)其材料的合理分布。

5　結(jié)論

本文對(duì)某驅(qū)動(dòng)橋氣室支架早期斷裂故障進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，為該氣室支架及同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工過程提供了重要參考，主要結(jié)論如下：

（1）本案例中氣室支架的材料符合要求，材料并非造成其發(fā)生早期斷裂的主要原因。

（2）氣室支架的底部連接板處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且在其加工過程中存在尖角，進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成氣室支架的早期斷裂。

（3）氣室推桿推力的反作用力使法蘭圓角反復(fù)受力，且氣室支架力臂加長(zhǎng)后，加大了扭轉(zhuǎn)力矩，后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)中可考慮減小支架臂長(zhǎng)度或在受力圓角處補(bǔ)強(qiáng)，保證氣室支架足夠的使用壽命。

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Analysis and Study on the Fracture of a Drive Axle Air Chamber Bracket

Brake is a key component of the braking system, which is very important to the safe driving of the vehicle. If the air chamber bracket is broken or the air chamber falls off, it will cause insufficient brake pressure, which will pose a major threat to the safety of drivers and passengers and property. In this paper, aiming at the fracture problem of the air chamber bracket of a drive axle, the reasons for the fracture are systematically analyzed by metallographic examination and finite element analysis, and determines that the fracture cause is fatigue fracture caused by stress concentration. Combined with drawing analysis, the influence of its structure and processing on product performance is explored. This study can provide a reference for the improvement of the air chamber bracket.

brake; air chamber bracket; metallographic inspection; structure

U463

A

1008-1151(2022)10-0064-04

2022-08-17

廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)（桂科AA21077014）。

胡萬良（1967－），男，山西河津人，方盛車橋（柳州）有限公司高級(jí)工程師，從事車橋產(chǎn)品開發(fā)和管理工作。

方志剛（1984－），男，湖北黃石人，武漢理工工大學(xué)汽車工程學(xué)院講師，從事汽車底盤研究工作。