施鴻煒

(1、東南(福建)汽車(chē)工業(yè)有限公司,福建 閩侯350112 2、福州大學(xué),福建 福州350108)

1 前軸總成介紹

前軸總成(AXLE ASSY FRONT)屬于汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中傳動(dòng)與制動(dòng)系統(tǒng)部件。由于汽車(chē)使用工況多變導(dǎo)致前橋的受力情況比較復(fù)雜, 除承受垂直載荷外, 還承受縱向力、側(cè)向力及其力矩。一端連接汽車(chē)避震,一端通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸與離合器連接,一端連接汽車(chē)輪胎,是汽車(chē)中非常重要的零部件之一,屬重保件,有任何不良將導(dǎo)致車(chē)毀人亡的嚴(yán)重后果。

1.1 前軸總成分件構(gòu)成介紹

前軸總成由其重要分件:制動(dòng)器(又名剎車(chē)夾)、軸承、HUB(又名輪轂)、羊角(又名轉(zhuǎn)向節(jié))、剎車(chē)盤(pán)構(gòu)成；其中還包含一些非重要分件如：檔泥板、油封、組立螺栓、油管等。

1.2 前軸總成工作原理

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)將扭力、轉(zhuǎn)速輸出給驅(qū)動(dòng)軸, 再傳遞給前軸總成,傳遞給輪胎,達(dá)到扭力輸出, 汽車(chē)行駛。當(dāng)駕駛?cè)藛T踩剎車(chē)時(shí),剎車(chē)油路中供油,推動(dòng)制動(dòng)器中油壓缸,制動(dòng)器夾住剎車(chē)盤(pán),輪胎隨同被夾住,從而達(dá)到汽車(chē)剎車(chē)功能。

1.3 前軸總成的對(duì)手件們

驅(qū)動(dòng)軸:連接離合器變速箱進(jìn)行動(dòng)力輸入；

輪胎:扭力輸出,轉(zhuǎn)化為汽車(chē)行駛；

轉(zhuǎn)向機(jī):控制車(chē)輛轉(zhuǎn)向方向,增大方向盤(pán)傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向；

避震器與穩(wěn)定桿:麥弗遜獨(dú)立底盤(pán)懸架特色之一,在車(chē)輛過(guò)坎與急轉(zhuǎn)彎時(shí)作用,使底盤(pán)更好操控性和乘車(chē)舒適性。

圖1 與圖2 為前軸總成在汽車(chē)底盤(pán)中的布置狀況與自身的組成成分,前軸總成作為汽車(chē)底盤(pán)重要組成部分,承擔(dān)承重、支承、轉(zhuǎn)向的功能,屬于汽車(chē)上重保零部件。前軸總成除了承受汽車(chē)的重量外,還承受地面和車(chē)架之間的垂直載荷、制動(dòng)力、側(cè)向力以及側(cè)向力所引起的彎矩等,所以其開(kāi)發(fā)過(guò)程的項(xiàng)目管控與品質(zhì)管控尤為重要。

圖1 前軸總成

圖2 前軸總成與對(duì)手件

2 前軸總成開(kāi)發(fā)與項(xiàng)目管控重點(diǎn)

本次車(chē)型之前軸總成開(kāi)發(fā)流程,包括前軸總成設(shè)計(jì)、分件設(shè)計(jì)及制造、單品試驗(yàn)確認(rèn)、整車(chē)試驗(yàn)確認(rèn)、生產(chǎn)線(xiàn)安裝調(diào)試使用及總成PPAP 確認(rèn)等主要步驟。

2.1 項(xiàng)目管控重點(diǎn)- 前軸總成設(shè)計(jì)

前軸總成設(shè)計(jì)通常從整車(chē)載重、使用工況、耐久壽命方面著手研究計(jì)算,對(duì)羊角、制動(dòng)器等進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)與CAE 分析,對(duì)軸承進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算,以得到為滿(mǎn)足車(chē)型所需的強(qiáng)度要求。

2.1.1 設(shè)計(jì)材料的選定

轉(zhuǎn)向節(jié)承受汽車(chē)全部的載荷,支承并帶動(dòng)前輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車(chē)轉(zhuǎn)向。在汽車(chē)行駛狀態(tài)下,它承受著多變的沖擊載荷,因此,要求其具有很高的強(qiáng)度。

根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)想書(shū)需求：根據(jù)車(chē)身重、最大速度,通過(guò)CAE 計(jì)算分析,轉(zhuǎn)向節(jié)需用優(yōu)于抗拉強(qiáng)度400MPa 的材料。

載荷公式：G=mg,車(chē)重M=1.6t,m≈1/4M=0.4t。

實(shí)測(cè)極限狀態(tài)下轉(zhuǎn)向節(jié)承受小于6G 的力(考慮安全系數(shù),設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)受力取8G)。再根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)最小截面積,就可計(jì)算其所受應(yīng)力,故得出對(duì)應(yīng)的材料強(qiáng)度為400MPa。

考慮到安全裕度,本次轉(zhuǎn)向節(jié)選擇FCD500K,抗拉強(qiáng)度可達(dá)500MPa,球磨鑄鐵,有很強(qiáng)的機(jī)械性能,大于設(shè)計(jì)裕度。

剎車(chē)盤(pán)是制動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)很重要的部件,除了承受整車(chē)的剎車(chē)力,還要求制動(dòng)穩(wěn)定、沒(méi)有噪聲、不抖動(dòng)、耐高溫、散熱性能佳；而且硬度不能比剎車(chē)片低,因?yàn)閯x車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片相互摩擦?xí)r,要盡量靠磨損硬度相對(duì)低的剎車(chē)片來(lái)制動(dòng)。綜上,剎車(chē)盤(pán)需選用鑄造性能強(qiáng),但塑性和韌性低的灰口鑄鐵。因其良好的減震性、導(dǎo)熱性、流動(dòng)性、降低異音及不易開(kāi)裂等特性適合剎車(chē)盤(pán)的材料。本次車(chē)型選用東南及三菱所有車(chē)型共用的材料FC250D(灰口鑄鐵250)。機(jī)械性能要求：抗拉強(qiáng)度>=206MPa,硬度要求在：187～241HBS 之間。

2.1.2 設(shè)計(jì)工藝選定

根據(jù)使用情況,加工工藝分為需鑄造成型：羊角、剎車(chē)盤(pán)、制動(dòng)器本體；鍛造成型：HUB、軸承內(nèi)外圈；高溫?zé)Y(jié)：剎車(chē)蹄片；沖壓成型：擋泥板、油封等；高精密機(jī)加：軸承內(nèi)溝道、轉(zhuǎn)向節(jié)機(jī)加工等。

2.1.3 模具設(shè)計(jì)

鑄造模具需進(jìn)行模流分析,因液態(tài)的鐵水在模具中流動(dòng)、固化、冷卻成型,需分析避免因熱脹冷縮不均等導(dǎo)致鐵水縮口、沙眼等鑄造缺陷。

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)鑄造模

圖4 鑄造模模流分析

鑄造模具(如圖2 為轉(zhuǎn)向節(jié)鑄造模)是指為了獲得零件的結(jié)構(gòu)形狀,預(yù)先用其它容易成型的材料做成零件的結(jié)構(gòu)形狀,然后再在砂芯中放入模具,于是砂芯中就形成了一個(gè)和零件結(jié)構(gòu)尺寸一樣的空腔,再在該空腔中澆注流動(dòng)性液體,該液體冷卻凝固之后就能形成和模具形狀結(jié)構(gòu)完全一樣的零件了。

采用澆鑄的方式制作。鑄件成形要經(jīng)歷鐵水的液態(tài)收縮和凝固收縮階段。在鑄件成形過(guò)程中,合金的液態(tài)收縮和凝固收縮會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔和疏松缺陷,尤其是對(duì)于尺寸大且不規(guī)則的轉(zhuǎn)向節(jié),往往因?yàn)闈沧r(shí)補(bǔ)縮不良而導(dǎo)致縮孔、疏松,導(dǎo)致鑄件質(zhì)量差。鑒于此,防止鑄造缺陷,有必要在模具設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行模流分析(如圖3 為轉(zhuǎn)向節(jié)鑄造模模流分析)。利用計(jì)算機(jī)模擬分析,鐵水經(jīng)澆口、冒口、流道的流速,再分析冷鐵與澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)中溫度變化情況,合理控制鑄件的凝固順序,消除縮孔和縮松等鑄造缺陷,以獲得合格的鑄件。

2.2 項(xiàng)目管控重點(diǎn)- 性能試驗(yàn)

2.2.1 單品性能試驗(yàn)

鑄造件試驗(yàn)包含化學(xué)性能與物理性能檢測(cè)：(1)化學(xué)成分分析(激光燒蝕分光儀檢測(cè),在線(xiàn)全檢,在線(xiàn)微調(diào)化學(xué)成分)；(2)機(jī)械性能檢測(cè)(硬度、抗拉強(qiáng)度)；金相(基體組織、石墨形態(tài))；x 光探傷；超聲波測(cè)球化率。

鑄造件羊角(轉(zhuǎn)向節(jié)) 試驗(yàn)技術(shù)要求主要根據(jù)規(guī)范為ES-X51006(球墨鑄鐵試驗(yàn)規(guī)范)。

(1)取樣檢測(cè)位置：一般羊角(轉(zhuǎn)向節(jié))單品性能的取樣點(diǎn)需覆蓋所有應(yīng)力點(diǎn)。在每個(gè)折彎處都需有取樣。取樣采機(jī)械切割破壞方式,后經(jīng)打磨、箱埋后制成樣件塊。

(2)化學(xué)成分檢測(cè)：檢測(cè)C、Si、Mn、P、S、Mg、Ni 七大元素的含量。

(3)機(jī)械性能檢測(cè)規(guī)格如下：檢測(cè)硬度(HB170～240)、抗拉強(qiáng)度(大于500N/mm2)、屈服強(qiáng)度(大于350N/mm2)、延伸率(需大于7%)；以判定鑄造件的物理性能。

(4)基體組織及球化率檢測(cè)：通過(guò)金相分析,明確基體組織、石墨尺寸、球化率；以判定鑄造石墨鑄鐵基體變化情況。

按照SPEC 要求: 基體組織需控制為鑄造珠光體+50%↓(↓代表含量控制在數(shù)值范圍以下)鐵素體+5%↓碳素體；石墨尺寸為小于60μm↓；球化率需達(dá)80%以上。

(5)X 光探傷檢測(cè)：相交磁粉探傷,可探測(cè)內(nèi)部是否有缺陷；且如內(nèi)部有裂紋,目視效果更佳。

2.2.2 前軸總成整車(chē)試驗(yàn)

前軸總成組立完成后,進(jìn)行總成整車(chē)裝備前試驗(yàn),包括尺寸確認(rèn),性能確認(rèn),零件可靠性確認(rèn),各種不良情況下零件確認(rèn)等等。主要包括：(1)總成圓端面跳動(dòng)檢測(cè)；(2)啟動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)；(3)擋泥板與剎車(chē)盤(pán)間隙量；(4)制動(dòng)器氣密性檢測(cè)；(5)軸承軸向游隙檢測(cè)；(6)涂裝件耐蝕性。

整車(chē)整備完成后,確認(rèn)短路程的裝配性、功能使用性及可靠性。進(jìn)行n〉3 臺(tái)份的整車(chē)裝備后試驗(yàn),包括：3 萬(wàn)公里惡路耐久(路力相當(dāng)正常行駛20 萬(wàn)公里)；1 萬(wàn)公里驅(qū)動(dòng)耐久；wash out沖擊試驗(yàn)。

在完成首次整車(chē)驗(yàn)證后,如沒(méi)有設(shè)計(jì)方面重大問(wèn)題,則可以進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)劃,進(jìn)行設(shè)計(jì)、工裝治具制造、安裝調(diào)試、確認(rèn)批量生產(chǎn)節(jié)拍、不良率,最后進(jìn)行總成零件PPAP 審核。PPAP 是對(duì)生產(chǎn)件的控制程序, 也是對(duì)質(zhì)量的一種管理方法。完成PPAP 審核,就具備了量產(chǎn)供貨資格了。

3 前軸總成開(kāi)發(fā)常見(jiàn)問(wèn)題分析

在車(chē)型開(kāi)發(fā)結(jié)束后,對(duì)車(chē)型進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)及問(wèn)題點(diǎn)的總結(jié),同時(shí)將車(chē)型開(kāi)發(fā)遇到的問(wèn)題點(diǎn)剖析徹底,并最終在組內(nèi)及系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)中轉(zhuǎn)訓(xùn),確保團(tuán)隊(duì)成員能吸取經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)。避免后續(xù)車(chē)型開(kāi)發(fā)中重蹈覆轍,對(duì)知識(shí)何經(jīng)驗(yàn)的傳承有重要意義。

3.1 問(wèn)題類(lèi)一：設(shè)計(jì)類(lèi)問(wèn)題

汽車(chē)底盤(pán)往往是多個(gè)零部件、多個(gè)系統(tǒng)(有制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng))相互裝配相互組合而成的。比較常見(jiàn)的設(shè)計(jì)類(lèi)問(wèn)題包括零件在設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤,導(dǎo)致其幾何形狀、尺寸上的缺陷,造成的裝配干涉；系統(tǒng)匹配時(shí)設(shè)計(jì)超差,導(dǎo)致配合過(guò)瀛。

案例一：車(chē)輛低速走行時(shí),左/右前輪異音,金屬摩擦音

問(wèn)題點(diǎn)調(diào)查：(1)現(xiàn)象：實(shí)車(chē)拆換,實(shí)物確認(rèn)培林油封與ABS齒圈有磨損且發(fā)出異音。(2)圖面SPEC 調(diào)查,圖面經(jīng)3D 校核,兩者有干涉：傳動(dòng)軸圖面SPEC 間隙量10.5MIN,而油封圖面厚度標(biāo)8mm 未注公差(國(guó)標(biāo)為8±0.2),C 扣厚度2.4,兩者圖面理論值如果以上偏差將達(dá)到10.6mm,超過(guò)了傳動(dòng)軸允許間隙10.5mm。

對(duì)策：修訂圖面將油封厚度由8±0.2 改為7±0.2,供應(yīng)商配合修模。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：(1)本次異音的尋找使用了FTT 分析儀(通過(guò)頻譜分析確認(rèn)振動(dòng)源),特別適合汽車(chē)底盤(pán)零部件行駛過(guò)程中產(chǎn)生異音來(lái)源的追蹤,通過(guò)頻譜分析,可在車(chē)輛行進(jìn)中作業(yè)尋找異音源。(2)問(wèn)題真因需從源頭圖面出發(fā)調(diào)查,確保改善方案有效。

3.2 問(wèn)題類(lèi)二：成車(chē)耐久試驗(yàn)NG,作動(dòng)件耐久壽命不足、受高低溫耐候不佳等

成車(chē)耐久是最能反映實(shí)車(chē)工況的試驗(yàn)。對(duì)零部件進(jìn)行質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試,需要模擬各種工況、各種氣候。有n〉3 臺(tái)份的3 萬(wàn)公里惡路耐久(路力相當(dāng)正常行駛20 萬(wàn)公里)；1 萬(wàn)公里驅(qū)動(dòng)耐久；wash out 沖擊試驗(yàn)等。相對(duì)單品試驗(yàn)花費(fèi)多、試驗(yàn)周期長(zhǎng)。但除了驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性、產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家制程與工藝穩(wěn)定性,還能驗(yàn)證作動(dòng)件的耐久性、耐候性；相互配合件的作動(dòng)關(guān)聯(lián)性。

案例二：成車(chē)惡路耐久2.2 萬(wàn)公里,軸承失效

問(wèn)題點(diǎn)調(diào)查：(1)現(xiàn)象：實(shí)車(chē)拆換、零件拆解,確認(rèn)為軸承油封漏水,導(dǎo)致軸承溝道磨損。(2)圖面SPEC 調(diào)查,軸承油封為單層防護(hù),Y 型密封結(jié)構(gòu)。單層防護(hù)的效果不佳,1 道防護(hù)如遇泥水、碎砂等嚴(yán)苛環(huán)境將易破損。

對(duì)策：軸承油封設(shè)計(jì)變更,由單層防護(hù)變更為雙層防護(hù)式油封,改善漏水不良隱患。并將材質(zhì)由NBR 提升為HNBR。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：(1)丁腈橡膠(NBR)主要采用低溫乳液聚合法生產(chǎn),生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單較易產(chǎn)出,耐油性極好。其缺點(diǎn)是耐高低溫性差、耐臭氧性差,絕緣性能低劣,彈性較差。使用溫度范圍-30至120℃,廣泛用于制造各種耐油橡膠制品、耐油墊圈、電纜膠材料等。氫化丁腈橡膠(HNBR)是由丁腈橡膠進(jìn)行特殊加氫處理而得到的一種高度飽和的彈性體。使其具良好的耐熱性能,優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性能,優(yōu)異的耐臭氧性能,較高的抗壓縮永久變形性能；缺點(diǎn)就是相對(duì)比較貴。使用溫度范圍-40 至170℃。(2)轎車(chē)輪轂軸承單元實(shí)際運(yùn)行中所受載荷和疲勞壽命的理論分析模型,計(jì)算得到不同工況下載荷的大小和輪轂軸承的疲勞壽命,轎車(chē)軸承的疲勞壽命約為2.77×108r,軸承最大應(yīng)力產(chǎn)生于內(nèi)軸根部與法蘭接合部,為259.94MPa。在受力的作動(dòng)件設(shè)計(jì)時(shí)(如軸承、避震器、彈簧等),僅滿(mǎn)足作動(dòng)耐久壽命需求是不夠的,應(yīng)充分考慮提升設(shè)計(jì)裕度,往往我們會(huì)乘以相應(yīng)的安全系數(shù)或做二道防護(hù)。

3.3 問(wèn)題類(lèi)三：?jiǎn)纹放_(tái)架試驗(yàn)NG,模擬汽車(chē)受載過(guò)程中零部件強(qiáng)度不足、斷裂等

單品臺(tái)架試驗(yàn)是指產(chǎn)品出廠(chǎng)前,一般還要進(jìn)行某些模擬試運(yùn)行試驗(yàn)。模擬汽車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程,所受載荷、振動(dòng)力等對(duì)零部件進(jìn)行質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。相對(duì)成車(chē)試驗(yàn)有易實(shí)現(xiàn)、較經(jīng)濟(jì)、試驗(yàn)周期短優(yōu)點(diǎn)。單品試驗(yàn)主要為驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性、產(chǎn)品生產(chǎn)廠(chǎng)家制程與工藝穩(wěn)定性。

案例三：羊角單品靜強(qiáng)度試驗(yàn)中裂紋

問(wèn)題點(diǎn)調(diào)查：原因：以8G 的拉力發(fā)現(xiàn)有裂紋,原因?yàn)殍T造不良。經(jīng)金相分析,由于自動(dòng)添加球化劑設(shè)備故障,球化劑添加過(guò)少,導(dǎo)致球磨鑄鐵在鑄造過(guò)程中球化率偏低。

對(duì)策：(1)根據(jù)鑄造標(biāo)示,同一爐澆鑄的羊角報(bào)廢。(2)改善球化劑設(shè)備,并在線(xiàn)爐邊100%全檢化學(xué)成分。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：(1)鑄造中的孕育和球化是針對(duì)球鐵而言的,球鐵是用灰鐵成分的鐵液經(jīng)過(guò)球化處理和孕育處理方可得到。將球化劑(鎂或硅鎂合金)加入鐵水的操作過(guò)程叫球化處理、可獲得完整的石墨。球化處理的同時(shí),須孕育處理——即讓石墨量增加,石墨球徑減小。孕育劑含有強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素,通常是硅鐵和硅鈣合金。球化不良的產(chǎn)生原因很多,與球化劑中稀土元素種類(lèi)、球化劑加入量、孕育劑、球化孕育操作方法、澆注溫度及澆注時(shí)間等因素密切相關(guān)。本次問(wèn)題是因?yàn)榍蚧瘎╂V添加過(guò)少導(dǎo)致。(2)隨著自動(dòng)化程度越來(lái)越高,依靠設(shè)備的越來(lái)越多。對(duì)于重保件的生產(chǎn),需定期對(duì)設(shè)備點(diǎn)檢與校驗(yàn),更需100%線(xiàn)邊全檢其化學(xué)成分等重要性能。

4 總結(jié)與心得

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展,汽車(chē)已不再單純的是一種交通工具,它已經(jīng)是當(dāng)代物質(zhì)文明與科技進(jìn)步的象征。汽車(chē)行業(yè)集機(jī)械、電子、化工、信息等工業(yè)于一體,反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)化、自動(dòng)化水平。底盤(pán)系統(tǒng)作為汽車(chē)構(gòu)架的基石,而前軸總成又是底盤(pán)系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵。作為基石中的關(guān)鍵,重中之重的前軸總成的開(kāi)發(fā),更是開(kāi)發(fā)管控的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)前軸總成重保件的開(kāi)發(fā)下來(lái),除了需要有過(guò)強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí),更應(yīng)了解各質(zhì)量管控Q-gate 重點(diǎn),為汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

在國(guó)內(nèi),許多整車(chē)企業(yè)的研發(fā)部門(mén)已經(jīng)具有完備的軟硬件設(shè)施,但依然需要我們不斷學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)積累、提升技術(shù)、提高質(zhì)量,振興汽車(chē)行業(yè)這一民族產(chǎn)業(yè)。