施鸿炜

(1、东南(福建)汽车工业有限公司,福建 闽侯350112 2、福州大学,福建 福州350108)

1 前轴总成介绍

前轴总成(AXLE ASSY FRONT)属于汽车动力系统中传动与制动系统部件。由于汽车使用工况多变导致前桥的受力情况比较复杂, 除承受垂直载荷外, 还承受纵向力、侧向力及其力矩。一端连接汽车避震,一端通过驱动轴与离合器连接,一端连接汽车轮胎,是汽车中非常重要的零部件之一,属重保件,有任何不良将导致车毁人亡的严重后果。

1.1 前轴总成分件构成介绍

前轴总成由其重要分件:制动器(又名刹车夹)、轴承、HUB(又名轮毂)、羊角(又名转向节)、刹车盘构成；其中还包含一些非重要分件如：档泥板、油封、组立螺栓、油管等。

1.2 前轴总成工作原理

通过发动机将扭力、转速输出给驱动轴, 再传递给前轴总成,传递给轮胎,达到扭力输出, 汽车行驶。当驾驶人员踩刹车时,刹车油路中供油,推动制动器中油压缸,制动器夹住刹车盘,轮胎随同被夹住,从而达到汽车刹车功能。

1.3 前轴总成的对手件们

驱动轴:连接离合器变速箱进行动力输入；

轮胎:扭力输出,转化为汽车行驶；

转向机:控制车辆转向方向,增大方向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向；

避震器与稳定杆:麦弗逊独立底盘悬架特色之一,在车辆过坎与急转弯时作用,使底盘更好操控性和乘车舒适性。

图1 与图2 为前轴总成在汽车底盘中的布置状况与自身的组成成分,前轴总成作为汽车底盘重要组成部分,承担承重、支承、转向的功能,属于汽车上重保零部件。前轴总成除了承受汽车的重量外,还承受地面和车架之间的垂直载荷、制动力、侧向力以及侧向力所引起的弯矩等,所以其开发过程的项目管控与品质管控尤为重要。

图1 前轴总成

图2 前轴总成与对手件

2 前轴总成开发与项目管控重点

本次车型之前轴总成开发流程,包括前轴总成设计、分件设计及制造、单品试验确认、整车试验确认、生产线安装调试使用及总成PPAP 确认等主要步骤。

2.1 项目管控重点- 前轴总成设计

前轴总成设计通常从整车载重、使用工况、耐久寿命方面着手研究计算,对羊角、制动器等进行强度设计与CAE 分析,对轴承进行疲劳强度计算,以得到为满足车型所需的强度要求。

2.1.1 设计材料的选定

转向节承受汽车全部的载荷,支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下,它承受着多变的冲击载荷,因此,要求其具有很高的强度。

根据设计构想书需求：根据车身重、最大速度,通过CAE 计算分析,转向节需用优于抗拉强度400MPa 的材料。

载荷公式：G=mg,车重M=1.6t,m≈1/4M=0.4t。

实测极限状态下转向节承受小于6G 的力(考虑安全系数,设计时转向节受力取8G)。再根据转向节最小截面积,就可计算其所受应力,故得出对应的材料强度为400MPa。

考虑到安全裕度,本次转向节选择FCD500K,抗拉强度可达500MPa,球磨铸铁,有很强的机械性能,大于设计裕度。

刹车盘是制动系统中一个很重要的部件,除了承受整车的刹车力,还要求制动稳定、没有噪声、不抖动、耐高温、散热性能佳；而且硬度不能比刹车片低,因为刹车盘与刹车片相互摩擦时,要尽量靠磨损硬度相对低的刹车片来制动。综上,刹车盘需选用铸造性能强,但塑性和韧性低的灰口铸铁。因其良好的减震性、导热性、流动性、降低异音及不易开裂等特性适合刹车盘的材料。本次车型选用东南及三菱所有车型共用的材料FC250D(灰口铸铁250)。机械性能要求：抗拉强度>=206MPa,硬度要求在：187～241HBS 之间。

2.1.2 设计工艺选定

根据使用情况,加工工艺分为需铸造成型：羊角、刹车盘、制动器本体；锻造成型：HUB、轴承内外圈；高温烧结：刹车蹄片；冲压成型：挡泥板、油封等；高精密机加：轴承内沟道、转向节机加工等。

2.1.3 模具设计

铸造模具需进行模流分析,因液态的铁水在模具中流动、固化、冷却成型,需分析避免因热胀冷缩不均等导致铁水缩口、沙眼等铸造缺陷。

图3 转向节铸造模

图4 铸造模模流分析

铸造模具(如图2 为转向节铸造模)是指为了获得零件的结构形状,预先用其它容易成型的材料做成零件的结构形状,然后再在砂芯中放入模具,于是砂芯中就形成了一个和零件结构尺寸一样的空腔,再在该空腔中浇注流动性液体,该液体冷却凝固之后就能形成和模具形状结构完全一样的零件了。

采用浇铸的方式制作。铸件成形要经历铁水的液态收缩和凝固收缩阶段。在铸件成形过程中,合金的液态收缩和凝固收缩会使铸件产生缩孔和疏松缺陷,尤其是对于尺寸大且不规则的转向节,往往因为浇注时补缩不良而导致缩孔、疏松,导致铸件质量差。鉴于此,防止铸造缺陷,有必要在模具设计时进行模流分析(如图3 为转向节铸造模模流分析)。利用计算机模拟分析,铁水经浇口、冒口、流道的流速,再分析冷铁与浇注系统、冒口系统中温度变化情况,合理控制铸件的凝固顺序,消除缩孔和缩松等铸造缺陷,以获得合格的铸件。

2.2 项目管控重点- 性能试验

2.2.1 单品性能试验

铸造件试验包含化学性能与物理性能检测：(1)化学成分分析(激光烧蚀分光仪检测,在线全检,在线微调化学成分)；(2)机械性能检测(硬度、抗拉强度)；金相(基体组织、石墨形态)；x 光探伤；超声波测球化率。

铸造件羊角(转向节) 试验技术要求主要根据规范为ES-X51006(球墨铸铁试验规范)。

(1)取样检测位置：一般羊角(转向节)单品性能的取样点需覆盖所有应力点。在每个折弯处都需有取样。取样采机械切割破坏方式,后经打磨、箱埋后制成样件块。

(2)化学成分检测：检测C、Si、Mn、P、S、Mg、Ni 七大元素的含量。

(3)机械性能检测规格如下：检测硬度(HB170～240)、抗拉强度(大于500N/mm2)、屈服强度(大于350N/mm2)、延伸率(需大于7%)；以判定铸造件的物理性能。

(4)基体组织及球化率检测：通过金相分析,明确基体组织、石墨尺寸、球化率；以判定铸造石墨铸铁基体变化情况。

按照SPEC 要求: 基体组织需控制为铸造珠光体+50%↓(↓代表含量控制在数值范围以下)铁素体+5%↓碳素体；石墨尺寸为小于60μm↓；球化率需达80%以上。

(5)X 光探伤检测：相交磁粉探伤,可探测内部是否有缺陷；且如内部有裂纹,目视效果更佳。

2.2.2 前轴总成整车试验

前轴总成组立完成后,进行总成整车装备前试验,包括尺寸确认,性能确认,零件可靠性确认,各种不良情况下零件确认等等。主要包括：(1)总成圆端面跳动检测；(2)启动扭转力矩检测；(3)挡泥板与刹车盘间隙量；(4)制动器气密性检测；(5)轴承轴向游隙检测；(6)涂装件耐蚀性。

整车整备完成后,确认短路程的装配性、功能使用性及可靠性。进行n〉3 台份的整车装备后试验,包括：3 万公里恶路耐久(路力相当正常行驶20 万公里)；1 万公里驱动耐久；wash out冲击试验。

在完成首次整车验证后,如没有设计方面重大问题,则可以进行生产线规划,进行设计、工装治具制造、安装调试、确认批量生产节拍、不良率,最后进行总成零件PPAP 审核。PPAP 是对生产件的控制程序, 也是对质量的一种管理方法。完成PPAP 审核,就具备了量产供货资格了。

3 前轴总成开发常见问题分析

在车型开发结束后,对车型进行经验及问题点的总结,同时将车型开发遇到的问题点剖析彻底,并最终在组内及系统团队中转训,确保团队成员能吸取经验及教训。避免后续车型开发中重蹈覆辙,对知识何经验的传承有重要意义。

3.1 问题类一：设计类问题

汽车底盘往往是多个零部件、多个系统(有制动系统、转向系统、行驶系统、传动系统)相互装配相互组合而成的。比较常见的设计类问题包括零件在设计过程中的错误,导致其几何形状、尺寸上的缺陷,造成的装配干涉；系统匹配时设计超差,导致配合过瀛。

案例一：车辆低速走行时,左/右前轮异音,金属摩擦音

问题点调查：(1)现象：实车拆换,实物确认培林油封与ABS齿圈有磨损且发出异音。(2)图面SPEC 调查,图面经3D 校核,两者有干涉：传动轴图面SPEC 间隙量10.5MIN,而油封图面厚度标8mm 未注公差(国标为8±0.2),C 扣厚度2.4,两者图面理论值如果以上偏差将达到10.6mm,超过了传动轴允许间隙10.5mm。

对策：修订图面将油封厚度由8±0.2 改为7±0.2,供应商配合修模。

经验总结：(1)本次异音的寻找使用了FTT 分析仪(通过频谱分析确认振动源),特别适合汽车底盘零部件行驶过程中产生异音来源的追踪,通过频谱分析,可在车辆行进中作业寻找异音源。(2)问题真因需从源头图面出发调查,确保改善方案有效。

3.2 问题类二：成车耐久试验NG,作动件耐久寿命不足、受高低温耐候不佳等

成车耐久是最能反映实车工况的试验。对零部件进行质量进行测试,需要模拟各种工况、各种气候。有n〉3 台份的3 万公里恶路耐久(路力相当正常行驶20 万公里)；1 万公里驱动耐久；wash out 冲击试验等。相对单品试验花费多、试验周期长。但除了验证设计合理性、产品生产厂家制程与工艺稳定性,还能验证作动件的耐久性、耐候性；相互配合件的作动关联性。

案例二：成车恶路耐久2.2 万公里,轴承失效

问题点调查：(1)现象：实车拆换、零件拆解,确认为轴承油封漏水,导致轴承沟道磨损。(2)图面SPEC 调查,轴承油封为单层防护,Y 型密封结构。单层防护的效果不佳,1 道防护如遇泥水、碎砂等严苛环境将易破损。

对策：轴承油封设计变更,由单层防护变更为双层防护式油封,改善漏水不良隐患。并将材质由NBR 提升为HNBR。

经验总结：(1)丁腈橡胶(NBR)主要采用低温乳液聚合法生产,生产工艺简单较易产出,耐油性极好。其缺点是耐高低温性差、耐臭氧性差,绝缘性能低劣,弹性较差。使用温度范围-30至120℃,广泛用于制造各种耐油橡胶制品、耐油垫圈、电缆胶材料等。氢化丁腈橡胶(HNBR)是由丁腈橡胶进行特殊加氢处理而得到的一种高度饱和的弹性体。使其具良好的耐热性能,优良的耐化学腐蚀性能,优异的耐臭氧性能,较高的抗压缩永久变形性能；缺点就是相对比较贵。使用温度范围-40 至170℃。(2)轿车轮毂轴承单元实际运行中所受载荷和疲劳寿命的理论分析模型,计算得到不同工况下载荷的大小和轮毂轴承的疲劳寿命,轿车轴承的疲劳寿命约为2.77×108r,轴承最大应力产生于内轴根部与法兰接合部,为259.94MPa。在受力的作动件设计时(如轴承、避震器、弹簧等),仅满足作动耐久寿命需求是不够的,应充分考虑提升设计裕度,往往我们会乘以相应的安全系数或做二道防护。

3.3 问题类三：单品台架试验NG,模拟汽车受载过程中零部件强度不足、断裂等

单品台架试验是指产品出厂前,一般还要进行某些模拟试运行试验。模拟汽车运转过程,所受载荷、振动力等对零部件进行质量进行测试。相对成车试验有易实现、较经济、试验周期短优点。单品试验主要为验证设计合理性、产品生产厂家制程与工艺稳定性。

案例三：羊角单品静强度试验中裂纹

问题点调查：原因：以8G 的拉力发现有裂纹,原因为铸造不良。经金相分析,由于自动添加球化剂设备故障,球化剂添加过少,导致球磨铸铁在铸造过程中球化率偏低。

对策：(1)根据铸造标示,同一炉浇铸的羊角报废。(2)改善球化剂设备,并在线炉边100%全检化学成分。

经验总结：(1)铸造中的孕育和球化是针对球铁而言的,球铁是用灰铁成分的铁液经过球化处理和孕育处理方可得到。将球化剂(镁或硅镁合金)加入铁水的操作过程叫球化处理、可获得完整的石墨。球化处理的同时,须孕育处理——即让石墨量增加,石墨球径减小。孕育剂含有强烈促进石墨化的元素,通常是硅铁和硅钙合金。球化不良的产生原因很多,与球化剂中稀土元素种类、球化剂加入量、孕育剂、球化孕育操作方法、浇注温度及浇注时间等因素密切相关。本次问题是因为球化剂镁添加过少导致。(2)随着自动化程度越来越高,依靠设备的越来越多。对于重保件的生产,需定期对设备点检与校验,更需100%线边全检其化学成分等重要性能。

4 总结与心得

随着汽车工业的发展,汽车已不再单纯的是一种交通工具,它已经是当代物质文明与科技进步的象征。汽车行业集机械、电子、化工、信息等工业于一体,反映了一个国家工业化、自动化水平。底盘系统作为汽车构架的基石,而前轴总成又是底盘系统内的关键。作为基石中的关键,重中之重的前轴总成的开发,更是开发管控的重点。经过前轴总成重保件的开发下来,除了需要有过强的专业知识,更应了解各质量管控Q-gate 重点,为汽车工业的发展贡献力量。

在国内,许多整车企业的研发部门已经具有完备的软硬件设施,但依然需要我们不断学习、经验积累、提升技术、提高质量,振兴汽车行业这一民族产业。