某車型后橋殼總成變形彎曲的分析研究

謝香衛，玉勇志

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

后橋殼總成（以下簡稱橋殼）是汽車上的主要部件之一，非斷開式結構又稱為整體式驅動橋橋殼。整體式驅動橋的橋殼起著支撐汽車載荷的作用，并將載荷傳給車輪。作用在驅動車輪上的牽引力、制動力、側向力和垂向力也是經過橋殼傳到懸架及車架或車廂上，橋殼既是承載件又是傳力件。同時它又是主減速器、差速器及驅動車輪傳動裝置（如半軸）的外殼[1-2]。

在汽車行駛過程中，橋殼承受繁重的載荷，尤其是當汽車通過不平路面時，由于車輪與地面間所產生的沖擊載荷，在設計不當或制造工藝有問題時，會引起橋殼變形彎曲、滲油，更嚴重時會發生折斷。因此，設計時必須考慮在動載荷下橋殼有足夠的強度和剛度以及適當的安全系數，保證主減速器、差速器等傳動裝置能正常使用而不受外力作用變形，保證橋殼具有足夠的使用壽命[1-2]。

1 橋殼故障分析

某微型貨車為前置后驅結構，其后驅動橋的橋殼結構采用中段鑄造兩端插管式。該車型橋殼在使用過程中出現中段橋包插管處變形彎曲滲油的問題，如圖1 所示，橋殼外表面可見的明顯變形彎曲和油跡，兩端半軸套管法蘭與中間的主減不在同一軸線上，兩端半軸套管法蘭低，中間主減高，半軸套管在圓周方向上，一端從減速器殼體插管孔處脫出，另一端擠入減速器殼體，從橋殼套管與減速器殼體插管孔處有可見縫隙，直徑1.2 mm 的鐵絲能插入，可插入深度約9 mm。

圖1 故障橋殼

對故障橋殼進行切割分析，如圖2 所示，下半塊套管加工面全是油污、發黑與銹蝕的跡象圖如圖2（a）所示，使用抹布擦拭后，套管加工面靠近半軸套管法蘭的一側已生銹如圖2（b）所示；上半塊油污、發黑與銹蝕痕跡占加工面50%以上如圖2（c）所示，且上半塊已有明顯壓痕，壓痕位于減殼與套管配合的端面處如圖2（d）所示，由此可以判斷橋殼變形已持續一段時間，套管與減速器殼存在間隙造成套管機加工表面生銹、內部齒輪油滲出。切割塞焊縫，套管與焊縫熔池邊界未見脫離痕跡，排除由于塞焊縫開裂引起的套管松脫。

圖2 故障橋殼切割

在故障件分析過程中，對零件原材料、零件加工尺寸、生產過程控制也進行調查分析，在此文章不做詳細闡述，對于此橋殼變形彎曲問題著重從設計要求、臺架性能表現、制造偏差影響這些方面進行分析研究。

2 分析驗證方法和結果

2.1 橋殼剛性和強度CAE 分析

如圖3 所示，該車型為整體式后驅動橋殼，中間為鑄造式減殼，兩端為冷拔無縫鋼管。這種結構的橋殼，左/右套管過盈壓入減殼后再進行塞焊，焊縫數量少，結構簡單。車型升級換代后，后輪輪距和板簧距更改，僅需要更改套管長度和彈簧座板焊接位置，開發周期短，工藝投資少，但是售后橋殼出現滲油或變形時，需要更換整個橋殼，更換成本較高，拆裝、調整、維修均不方便。

圖3 橋殼結構

橋殼工藝路線為：左/右套管法蘭焊合件分別焊接→機加工套管外圓→減殼插管內孔涂膠→過盈壓入減速器殼體內孔→減殼與套管塞焊→后橋總成裝配后進行100%試漏。根據式（1）和（2）[1]，套管外圓直徑因機加工減小1.5 mm 后，抗彎截面系數隨之減小，相同載荷下所受到的應力增大，橋殼抗彎能力減弱。在減殼與套管過渡位置的截面積突變，在CAE 分析中應力最大，同時橋殼的整體變形量大，橋殼承受垂直載荷時，該位置為薄弱點，容易出現變形問題。

從圖4 橋殼應力云圖看，應力最大位置就是在套管與減殼過渡位置，1 倍滿載軸荷最大應力為96.185 MPa，根據經驗，應力與載荷成線性關系，因此，在2.5倍滿載軸荷下該位置的最大應力為240.463 MPa，此時橋殼的強度安全系數為1.435，理論設計上強度安全系數滿足要求。

圖4 橋殼CAE 分析應力

從圖5 看，橋殼在承受1 倍滿載軸荷時，最大變形量為1.520 mm。在QC/T 534-1999“汽車驅動橋 臺架試驗評價指標”中要求，滿載軸荷時每米輪距最大變形量不超過1.5 mm[4]，該車型橋殼的最大變形量應不超過2.279 mm，因此，橋殼剛性已滿足設計要求。

圖5 橋殼CAE 分析應變

理論分析該結構橋殼的強度和剛度均可以滿足使用要求，但是為何仍然出現變形彎曲的情況？此時就需要實際的臺架試驗驗證分析的準確性，根據QC/T 533-1999《汽車驅動橋 臺架試驗方法》，驅動橋殼分別需要進行橋殼垂直彎曲剛性、靜強度和疲勞試驗，下文具體闡述。

2.2 橋殼垂直彎曲剛性試驗

按QC/T 533-1999“汽車驅動橋 臺架試驗方法”進行橋殼垂直彎曲剛性試驗[3]，如圖6 所示，3 件樣件最大變形量分別為2.107 mm、1.840 mm 和1.973 mm，低于標準QC/T 534-1999“汽車驅動橋 臺架試驗評價指標”要求的2.279 mm，因此，該車型橋殼垂直彎曲剛性臺架結果符合設計要求。但是可以看出與理論分析的最大變形量1.520 mm 是存在差異的，這個是原材料的彈性模量、零件制造誤差、原材料的實際機械性能不同所引起，針對零件制造誤差做進一步的分析研究。

圖6 橋殼垂直彎曲剛性試驗

2.3 橋殼垂直彎曲靜強度試驗

按QC/T 533-1999“汽車驅動橋 臺架試驗方法”進行橋殼垂直彎曲強度試驗[3]，如圖7 所示，QC/T 534-1999“汽車驅動橋 臺架試驗評價指標”中要求橋殼垂直彎曲失效后備系數不低于6[4]。三件橋殼按110 kN加載后卸載，樣件未損壞、無嚴重塑性變形，后備系數6.76，滿足試驗標準要求。該車型橋殼垂直彎曲靜強度臺架結果符合設計要求。

圖7 橋殼垂直彎曲強度試驗

2.4 橋殼垂直彎曲疲勞試驗后變形量測量

按QC/T 533-1999“汽車驅動橋 臺架試驗方法”要求進行橋殼垂直彎曲疲勞試驗[3]，如圖8 所示，在彈簧座板處施加2.5 倍滿載的垂向載荷，三件橋殼試驗至80 萬次后停止試驗，樣件未開裂，套管目視未見脫出。符合QC/T 534-1999“汽車驅動橋臺架試驗評價指標”標準的要求，中值疲勞壽命不低于80 萬次[4]。

圖8 橋殼垂直彎曲疲勞試驗

對完成垂直彎曲疲勞試驗的橋殼測量其變形量。如圖9 所示，用V 型塊支撐橋殼兩端半軸套管法蘭的扶位，調整、測量扶位高度，使左右扶位高度一致，調整后橋角度使主減連接法蘭垂直于檢測平臺，測量套管最高點高度：

圖9 橋殼變形量測量示意圖

測量點1：右側套管靠近法蘭頭環焊縫

測量點2：右側套管靠近減殼外邊緣

測量點3：左側套管靠近法蘭頭環焊縫

測量點4：左側套管靠近減殼外邊緣

測量結果見表1。

表1 橋殼疲勞試驗后變形量

從表1 的測量結果看，在2.5 倍滿載的負荷下，橋殼試驗80 萬次后，橋殼變形量仍滿足橋殼垂直彎曲剛性試驗要求（最大變形量不超過2.279 mm）。臺架驗證該設計結構可以滿足使用要求。故障橋殼的明顯變形彎曲，可以推測承受的載荷超過設計要求。

2.5 套管壁厚不均勻剛性和強度

零件在制造過程中會存在偏差，對故障件進行切割測量，一個橫截面測量6 個點，套管壁厚差為0.12 mm。需要進一步分析以便確認制造偏差造成的壁厚不均勻是否對橋殼變形滲油有影響。

根據尺寸鏈計算和實際零件抽樣檢測數據，機加工后的套管壁厚差不超過1.4 mm。橋殼在使用過程中，上下方向所承受的載荷比前后方向大，因此，創建套管壁厚不均勻的三維數模，使套管上/下方向壁厚相差1.4 mm，前后方向壁厚差相同，對此結構橋殼進行強度與剛性的分析。1 倍滿載軸荷最大應力為115.037 MPa（圖10），2.5 倍滿載軸荷最大應力287.593 MPa，強度安全系數為1.2；1 倍滿載軸荷時，最大變形量為1.522 mm（圖11）。套管壁厚均勻與壁厚不均勻的橋殼，其變形量在CAE 分析上基本無變化，因此，套管壁厚不均勻量在一定范圍內時，橋殼剛性基本無影響，但是橋殼套管應力增加19.6%，2.5 倍滿載下的強度安全系數從1.435 降低至1.2。套管制造誤差造成的壁厚不均勻量越大，橋殼的強度和疲勞壽命會降低，長期超載或在不平路試上行駛的沖擊載荷，橋殼可能提前出現彎曲變形。

圖10 壁厚不均勻橋殼CAE 分析應力

圖11 壁厚不均勻橋殼CAE 分析應變

從以上分析看，該故障橋殼，套管壁厚差僅為0.12 mm，不是橋殼變形的主要原因。

2.6 研究橋殼變形量

套管與減殼在設計上是過盈配合，套管壓入減殼內孔的力的大小影響到套管壓出力大小。根據經驗，壓出力一般是壓入力的1.3～1.5 倍[5]。壓入力的大小一般與結合直徑、結合長度、過盈量相關。對于已經定型的產品，結合直徑與結合長度更改牽涉零件較多，但是過盈量的更改，僅需調整成品加工尺寸公差要求，相對容易實現。因此，為防止后橋套管脫出，增大其過盈量是更改方向之一。準備兩種過盈量的橋殼，對它們進行變形試驗，檢測其變形超過1 mm 時所需加載的力具體是多少。

1#樣件，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加9 kN，直至109 kN 載荷下，橋殼變形約10 mm 停止試驗。

2#樣件，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加2 kN，直至105kN 載荷下，橋殼變形約10 mm 停止試驗。

3# 樣件，套管與減殼過盈量增大0.05 mm，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加2 kN，直至123 kN 載荷下，橋殼變形約10 mm 停止試驗。

4# 樣件，套管與減殼過盈量增大0.05 mm，從0 kN、1 倍滿載、再每次增加2 kN，直至129 kN 載荷下，橋殼變形約10mm 停止試驗。

每一次加載后測量橋殼高度值。

從試驗結果看（圖12），在加載力約為70 kN 之前，四件橋殼的變形量相差不大，在加載力超過70 kN之后，四件橋殼的變形量開始有明顯區別。超過6 倍滿載軸荷后，過盈量越大，同樣變形量下能夠承受更大的載荷。這個試驗也表明，用戶如果長期嚴重超載，即使增大配合過盈量，也容易提早出現橋殼疲勞變形彎曲問題。

圖12 橋殼極限變形曲線

增大過盈量可以提升零件的防松能力，在一定程度上改善松脫問題，但是增大過盈量對橋殼本身的剛性不會產生影響，橋殼的剛性與產品的結構、原材料的彈性模量有直接關系，因超過設計允許載荷而造成的變形彎曲，從而造成套管脫出的問題，僅增大過盈量是不能從根本上解決變形彎曲問題。針對故障件，在上文背景說明中，故障件切割塞焊縫，套管與焊縫熔池邊界未見脫離痕跡，可以推測橋殼是受載變形彎曲后造成的脫出，并非是因為過盈量不足先造成的松脫，如果只是過盈量不足造成的松脫，不會有嚴重變形彎曲的表象。在用戶的走訪調查過程中，也發現有不少用戶在使用過程中存在嚴重超載問題，這也是橋殼早期并行彎曲滲油的主要原因。

3 結語

通過各種分析和驗證手段，充分了解到中段鑄造兩端插管式橋殼的性能表現，對產品設計開發初期的結構選型提供很好的指導意義。

中段鑄造兩端插管的整體式橋殼，相對薄弱位置在套管與鑄造減殼過渡的地方，此處應力最大，承受的繁重沖擊載荷，服役環境惡劣，更容易出現變形彎曲，從而發生插管孔處滲油、松脫等問題。增大套管的壁厚或外徑，可以提高危險截面的截面系數，從而提高橋殼的強度與剛性，此種方式又會引起另外的問題，零件重量會提高，成本增加，不再適用于輕量化發展的要求。此種結構的橋殼，雖然具有開發周期短、焊接與機加工的設備投入成本低的優點，但是相比其他結構橋殼，剛性差的問題比較凸顯，在市面上大噸位的載貨汽車中，基本不使用此種結構，反而改為選用整板沖壓焊接式結構的橋殼。

制造過程的機加工偏差，當套管壁厚不均勻量在一定范圍內時，對橋殼的剛性無明顯影響，但是橋殼的強度會有所降低，應采用適合的生產工藝以減小制造機加工偏差，改善壁厚不均勻問題，同時為了提升橋殼的使用壽命，對原材料冷拔無縫鋼管的壁厚均勻量的要求應有所提高。

增大套管與減殼的過盈量，增加結合力，一定程度上可以提高防松脫能力，但是對橋殼的剛性提升基本沒有貢獻，不能從根本上解決超載導致的變形彎曲問題。

產品設計開發過程中，應充分調研用戶的使用需求，適當提高設計安全系數，降低售后維修成本。