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        前下控制臂總成常見(jiàn)失效模式探析

        2015-04-28 13:40:06趙娟付志輝
        中國(guó)科技縱橫 2015年7期
        關(guān)鍵詞:失效模式舒適性安全

        趙娟 付志輝

        【摘要】汽車(chē)前下控制臂是汽車(chē)懸掛系統(tǒng)的重要組成部件,是懸掛系統(tǒng)的導(dǎo)向與支撐元件,其將作用在車(chē)輪上的各種力傳遞到車(chē)身上,并保證車(chē)輪沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。前下控制臂失效直接影響車(chē)輪的定位,降低行車(chē)的穩(wěn)定性與安全性。本文就目前微型商用車(chē)及部分轎車(chē)前下控制臂常見(jiàn)的失效模式進(jìn)行分析,以便能及時(shí)采取對(duì)策,減少問(wèn)題發(fā)生,使汽車(chē)用戶(hù)獲得更好的安全性、舒適性與穩(wěn)定性。

        【關(guān)鍵詞】前下控制臂 懸掛系統(tǒng) 失效模式 安全 舒適性 穩(wěn)定性

        目前常見(jiàn)的前下控制臂有如下兩種結(jié)構(gòu),橫臂式結(jié)構(gòu)(如圖1)與三角臂結(jié)構(gòu)(如圖2)。其整車(chē)裝配環(huán)境:橫臂式結(jié)構(gòu)一端是球鉸結(jié)構(gòu)與前懸掛連接,一端是橡膠襯套結(jié)構(gòu)與前軸連接,中間有與支撐桿連接的兩個(gè)安裝孔;三角臂結(jié)構(gòu)是雙襯套、單球較結(jié)構(gòu),球鉸結(jié)構(gòu)與前懸掛連接,雙襯套結(jié)構(gòu)與副車(chē)架連接(或一端與前軸連接,一端與車(chē)架大梁連接)。

        前下控制臂涉及的工藝有鍛壓、熱處理、機(jī)加工、塑料注塑、橡膠硫化、沖壓、焊接、電泳、裝配等。臂體、球銷(xiāo)、軸套合件為前下控制臂的三大部件,基本的工藝流程如下圖3所示:

        了解了前下控制臂在整車(chē)上的作用、整車(chē)裝配環(huán)境與加工工藝流程,對(duì)我們理解其失效模式及失效機(jī)理就有了很大的幫助。下面就根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)探討分析前下控制臂的三大失效模式:前下控制臂斷裂,前下控制臂球球銷(xiāo)松脫、異響,前下控制臂軸套滑移。

        1前下控制臂斷裂,前下控制斷裂有多種模式

        (1)擺臂軸套斷裂,失效模式如圖4 所示,導(dǎo)致該失效模式出現(xiàn)在以上工藝流程圖中焊接球銷(xiāo)座/外剛套工序。該工序一般是先點(diǎn)焊定位、后氣體保護(hù)焊加固,也有通過(guò)工裝保證定位,直接氣體保護(hù)焊。失效的原因有兩種:一、只點(diǎn)焊,沒(méi)有氣體保護(hù)焊,焊接強(qiáng)度不足,這種失效模式承受力小,整車(chē)裝配完成后一旦下地,就無(wú)法承受整車(chē)子重量而斷裂,這種失效模式一般在整車(chē)裝配工廠就能發(fā)現(xiàn),影響不到我們最終的汽車(chē)用戶(hù)。這種問(wèn)題出現(xiàn)在先點(diǎn)焊、后加固焊的焊接設(shè)置工序中。二、氣體保護(hù)焊的焊縫焊偏,焊偏嚴(yán)重的情況,就是焊縫沒(méi)有起到加固的作用,類(lèi)似于第一種原因。焊偏不是很?chē)?yán)重的情況下,焊縫有融合,但是焊接的焊縫偏向控制臂支架一端或是軸套一端,導(dǎo)致焊接強(qiáng)度不足,這種失效模式問(wèn)題比較嚴(yán)重,因?yàn)樗赡芰鞯绞袌?chǎng)上,對(duì)最終的客戶(hù)造成安全影響。漏焊及焊接不牢固問(wèn)題,需要在焊接工序采取措施,比如漏焊采取防錯(cuò),取消點(diǎn)焊工序,直接工裝定位加緊后進(jìn)行氣體保護(hù)焊縫焊,這樣就不會(huì)出現(xiàn)漏焊失效模式。焊偏現(xiàn)象就是首先要保證定位準(zhǔn)確,焊接的相關(guān)參數(shù)調(diào)整到位,并對(duì)焊接產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn),一般焊偏嚴(yán)重的情況,目視就可以檢測(cè)出來(lái),焊偏不嚴(yán)重的情況,是需要進(jìn)行熔深檢測(cè),也就是焊接工序的任何過(guò)程發(fā)生變化,有可能導(dǎo)致焊接出現(xiàn)變異的情況都?jí)哼M(jìn)行焊縫的熔深檢測(cè),控制好的焊接工廠一般是每班都進(jìn)行熔深檢測(cè)。

        (2)擺臂球銷(xiāo)座斷裂,這種情況要看球銷(xiāo)座的結(jié)構(gòu)。一種是球銷(xiāo)座頸肩處與擺臂支架焊接在一起的,它的失效模式如圖5 ,是在焊接工序出現(xiàn)的,失效原因兩種,是和(1)中擺臂軸套斷裂的情況是相同的,具體的采取應(yīng)對(duì)措施也是相同的。另一種是球銷(xiāo)座頸肩處鍛壓成型的,球銷(xiāo)座殼體斷裂,失效模式如圖6 ,導(dǎo)致該失效模式產(chǎn)生的位置出現(xiàn)在以上工藝流程圖中鍛壓工序,鋼材材料符合技術(shù)要求,零件在鍛壓過(guò)程中形成脫碳層,脫碳層在淬火時(shí)開(kāi)裂,形成裂紋。球銷(xiāo)座殼體存在裂紋的情況下,控制臂的強(qiáng)度不足,承載能力下降,裂紋大的情況下,擺臂安裝后下地即斷裂,裂紋小的情況下,會(huì)流出市場(chǎng),在用戶(hù)使用過(guò)程中斷裂。這種失效模式由于是微觀產(chǎn)生,在原材料方面、鍛壓過(guò)程、熱處理過(guò)程都有產(chǎn)生問(wèn)題的可能,很難在生產(chǎn)過(guò)程控制,一般是采用在熱處理后進(jìn)行探傷檢測(cè),以識(shí)別、隔離缺陷。

        (3)擺臂臂體(支架)斷裂,擺臂支架斷裂也有兩種類(lèi)型的斷裂。

        三角臂結(jié)構(gòu),斷裂模式如圖7 ,對(duì)故障件裂紋進(jìn)行電鏡分析,認(rèn)為該零件的是疲勞斷裂,疲勞源在擺臂支架的腰型孔處,但是車(chē)子的里程只有幾千公里,如果受力正常的情況下,不該出現(xiàn)這種模式,控制臂臂體受力正常情況下,是縱向力與測(cè)向力,球銷(xiāo)部分受到的來(lái)自輪胎上下跳動(dòng)產(chǎn)生的垂直力是橡膠襯套的變形來(lái)緩沖這部分力的,一般臂體不受垂直方向的力。經(jīng)過(guò)對(duì)進(jìn)行CAE分析,發(fā)現(xiàn)零件受正常的縱向力與側(cè)向力的情況下,零件的應(yīng)力集中區(qū)是在下控制擺臂軸套處,不會(huì)出現(xiàn)這種失效模式,如果加載了垂直力,零件的應(yīng)力區(qū)域和零件的失效區(qū)域是一致的,如圖8,由此可以判定該零件臂體受垂直力導(dǎo)致,根據(jù)零件的受力分析,橡膠襯套是通過(guò)自身變形來(lái)緩沖吸收垂直方向上的力的,那就說(shuō)明橡膠襯套沒(méi)有起到應(yīng)有作用。這有兩種因素可以導(dǎo)致,一是橡膠襯套本身剛度大,沒(méi)有起到變形緩沖的作用,這種情況下應(yīng)該是橡膠襯套先開(kāi)裂,但故障件橡膠襯套完好,所以不是橡膠本事的原因。二是橡膠軸套周邊被異物卡住,無(wú)法擺動(dòng),垂直力根本傳不到橡膠襯套處,再看零件的表面,黑色油漆已脫,說(shuō)明被異物比如寒冷天氣的冰雪等卡住導(dǎo)致。

        預(yù)防這種控制斷裂的方式一是日常監(jiān)控橡膠襯套的剛度曲線,避免其自身失效,起不到變形緩沖的作用,二是在橡膠襯套周?chē)臻g完全敞開(kāi),是異物卡不住,或者進(jìn)行封閉,使異物進(jìn)不去,從而使橡膠軸套能正常起作用。

        橫臂式結(jié)構(gòu),斷裂模式如圖9,零件斷為兩截,這種結(jié)構(gòu)由于整車(chē)底盤(pán)處該處承載力比較薄弱,導(dǎo)致該失效模式出現(xiàn)的情況一般是客戶(hù)開(kāi)車(chē)過(guò)程中異常情況的。比如開(kāi)車(chē)過(guò)程中撞到臺(tái)階或其他物體導(dǎo)致底盤(pán)受力異常產(chǎn)生的。這種模式零件質(zhì)量是正常的,需要顧客安全駕駛。

        前下控制臂的斷裂失效模式,引起的后果很?chē)?yán)重,前下控制臂是懸掛系統(tǒng)的導(dǎo)向與支撐元件,其斷裂失效,功能將完成喪失,失去了導(dǎo)向與支撐作用,車(chē)輪方向不受控制、前懸架直接趴下,如果是使高速情況下發(fā)生斷裂,嚴(yán)重影響到人員的安全,其嚴(yán)重度達(dá)到9/10級(jí)。

        2 前下控制臂球銷(xiāo)松脫、異響

        該種失效模式多產(chǎn)生在售后問(wèn)題上,經(jīng)過(guò)前下控制臂松脫、異響故障件進(jìn)行解剖分析,發(fā)現(xiàn)零件球銷(xiāo)內(nèi)部或有泥水等雜質(zhì)進(jìn)入,或干涸、球頭銹蝕、部分油質(zhì)正常。球銷(xiāo)座結(jié)構(gòu)及球銷(xiāo)故障件件圖10。

        根據(jù)零件的故障件分析,導(dǎo)致前下控制臂球銷(xiāo)松曠、異響的的原因主要有以下因素:

        (1)防塵罩的密封性不好,防塵罩的唇口部位與球銷(xiāo)軸徑處配合不好,這個(gè)和防塵罩的結(jié)構(gòu)防塵罩的唇口制作精度、防塵罩橡膠的耐老化性都有關(guān)系,密封性不好進(jìn)了進(jìn)了沙石泥水破環(huán)內(nèi)部潤(rùn)滑脂,使球銷(xiāo)、塑料的球銷(xiāo)座早期磨損,出現(xiàn)球銷(xiāo)松曠異響。(2)球銷(xiāo)的加工精度,球銷(xiāo)的加工球面度不好,球銷(xiāo)容易早期磨損,尺寸過(guò)小球銷(xiāo),也容易出現(xiàn)松曠、異響,甚至球銷(xiāo)脫出。這種模式是出現(xiàn)在球銷(xiāo)機(jī)加工的工序。需要控制機(jī)加工的精度。(3)球銷(xiāo)座壁厚不均,彈性件體積小受力后變形過(guò)大,球銷(xiāo)座耐久性能不佳,這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在塑料球銷(xiāo)座的注塑工藝,注塑模具有磨損或注塑過(guò)程壓力不足,有缺料現(xiàn)象。另外也和塑料球銷(xiāo)座的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。在設(shè)計(jì)或制作過(guò)程中盡量使球銷(xiāo)座的臂厚均勻。(4)潤(rùn)滑脂情況,潤(rùn)滑脂本身質(zhì)量不好,容易早期失效,起不到潤(rùn)滑、散熱的作用,另外在裝配球銷(xiāo)工序注入的潤(rùn)滑脂量不足,導(dǎo)致潤(rùn)滑、散熱的作用不良,都容易出現(xiàn)球銷(xiāo)配合處零件的早期磨損導(dǎo)致松曠異響產(chǎn)生。控制潤(rùn)滑脂質(zhì)量、定量注脂是相當(dāng)必要的。(5)球銷(xiāo)鉚合蓋板工序,鉚合過(guò)緊,容易鉚裂,漏潤(rùn)滑脂,或鉚合力大,擺動(dòng)力矩大,都容易出現(xiàn)送松曠異響,鉚合過(guò)松,球銷(xiāo)也會(huì)出現(xiàn)松曠異響,所以鉚合工序的鉚合力也是很關(guān)鍵的過(guò)程控制參數(shù)。前下控制臂球銷(xiāo)松脫、異響的問(wèn)題,是容易引起客戶(hù)極大抱怨的問(wèn)題,部分功能減弱在嚴(yán)重度的級(jí)別里應(yīng)該可以達(dá)到7級(jí),客戶(hù)也不接受該模式出現(xiàn),所以了解其影響的主要因素,對(duì)零件的質(zhì)量控制也有了一定的方向。

        3控制臂軸套滑移

        控制臂軸套滑移的失效模式如圖11 所示,分析其失效機(jī)理:四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡分析:在制動(dòng)力F的作用下,擺臂受到力矩M的作用,繞擺臂軸套逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度;此時(shí),軸套固定在前軸上,擺臂外鋼套受到的力大于軸套的壓脫力,外鋼套有位移,即軸套滑移現(xiàn)象,如圖12 。外鋼套與前軸焊合件碰撞,產(chǎn)生異響。

        根據(jù)以上分析,發(fā)現(xiàn)軸套滑移是軸套本身的壓脫力不足以克服所受的力產(chǎn)生的。軸套本身的壓脫力是在軸套合件壓裝工序產(chǎn)生的,這和壓裝時(shí)的壓裝力有關(guān),更重要的是和外剛套與軸套合件的配合尺寸,軸套合件的剛度曲線,軸套合件的結(jié)構(gòu)相關(guān),如圖13 所示,橡膠襯套結(jié)構(gòu)與雙鋼套結(jié)構(gòu)。橡膠與外鋼套 過(guò)盈配合, 拔脫力2500N,改用雙鋼套結(jié)構(gòu),通過(guò)鋼與鋼之間過(guò)盈配合,拔脫力能達(dá)到1萬(wàn)牛以上,路試驗(yàn)證無(wú)滑移現(xiàn)象。

        所以控制內(nèi)外軸套的尺寸、軸套合件的剛度曲線,采用可靠的結(jié)構(gòu)能有效控制軸套滑移問(wèn)題的出現(xiàn)。該失效模式產(chǎn)生的后果是外鋼套與前軸支架碰撞、摩擦異響,是容易引起客戶(hù)抱怨的問(wèn)題,其嚴(yán)重度達(dá)到6或7級(jí)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        綜上,前下控制臂作為汽車(chē)底盤(pán)懸掛系統(tǒng)的重要組成部件,其主要失效模式斷裂、球銷(xiāo)松曠異響、軸套滑移,其造成的后果對(duì)客戶(hù)影響很大,斷裂將涉及人員安全,球銷(xiāo)松曠異響、軸套滑移導(dǎo)致異響也會(huì)影響到客戶(hù)的不滿(mǎn)抱怨。了解了前下控制臂的失效模式及其后果,那么就需要在優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品過(guò)程控制能力,增加有效檢測(cè)手段方面努力,以避免類(lèi)似失效模式出現(xiàn),從而保護(hù)汽車(chē)用戶(hù)安全,提高汽車(chē)的舒適性與穩(wěn)定性,提高客戶(hù)滿(mǎn)意度。

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