隋景玉 王海龙 刘继英 乔严磊
山东蓬翔汽车有限公司 山东蓬莱 265607
影响桥壳承载能力的因素分析
隋景玉 王海龙 刘继英 乔严磊
山东蓬翔汽车有限公司 山东蓬莱 265607
1 前言
某公司近期研制了一款轻量化重型汽车冲焊桥壳，该桥壳在原桥壳基础上进行了结构和尺寸改进，实现了单根减重15 kg。可是在对桥壳以高于国家标准（疲劳寿命100万次）的要求下进行台架试验时，桥壳断裂失效问题多次发生，桥壳试验断裂情况如图1所示。经分析总结，发现导致桥壳承载失效的原因较多，因此本文从桥壳的失效模式出发，对影响桥壳承载能力的多个因素进行分析研究，以便提出有效的解决方案。
2 桥壳强度计算
为了研究桥壳在典型工况下的受力强度，选择颠簸路面行驶、转弯、紧急制动和加速上坡4种典型工况进行计算，以确定其在4种典型工况下的受力情况。
桥壳受力如图2所示，计算时，将桥壳看作一根梁，板簧座附近是一个危险断面。
2.1 颠簸路面行驶工况
此工况下车辆左右轮垂直力最大。重型汽车高速通过颠簸路面时，桥壳在竖直方向受力最大，一般为载荷的2.5倍，板簧座处的弯曲应力公式为：
式中， σ颠为板簧座处的弯曲应力； WV为抗弯截面系数； FVm为轮胎垂直力，取桥壳额定载荷的2.5倍；b为车轮中心到板簧座中心距离，轮距为1 860 mm，板簧距为1 035 mm。
2.2 转弯工况
此工况下侧向力最大。重型汽车受侧向力达到路面最大附着力，汽车将要发生侧滑，车轴全部载荷由侧滑侧车轮承受，另一侧为零，桥壳板簧座处断面弯曲应力公式为：
式中， s转为桥壳板簧座处断面弯曲应力； rr为车轮滚动半径；FLm为侧向力，路面附着系数取0.8。
2.3 紧急制动工况
此工况下制动力最大。车辆满载时紧急制动，轮胎为纯滑动，受到水平方向的力最大，制动力方向与车辆运行方向相反。此时桥壳受到的惯性冲击很大，则板簧座处断面弯曲应力和扭转应力公式：
式中， σ紧为板簧座处断面弯曲应力； τ紧为扭转应力； WV、 Wh分别为垂直平面、水平平面抗弯截面系数； WT为抗扭截面系数； FVm为 垂直力； FB额 制动力，路面附着系数取0.8。
2.4 加速上坡工况
此工况下驱动力最大，汽车满载时，发动机牵引力最大，牵引力方向与车辆运动方向相反，车轮除受垂直向下的力和地面反作用力外，还受到水平方向的最大牵引力作用，则板簧座处断面的弯曲应力和扭转应力公式：
式中，σ坡为板簧座处断面的弯曲应力；τ坡为扭转应力； FA为驱动力，发动机传动效率取0.9。
经多次理论计算和实际使用结果表明，以上4种工况中，颠簸路面行驶工况为最恶劣工况，因此，桥壳台架试验模拟该工况下的桥壳表现[3]，有限元分析亦模拟此工况。
3 有限元分析
由于桥壳在车辆行驶过程中时刻处于振动状态，共振对桥壳的损害很大，因此还需对桥壳进行动态特性的模态分析[4]。
3.1 静力学分析
轻量化半桥壳尺寸如图3所示，与原桥壳相比，其壳体厚度由16 mm减小至14 mm，方形截面由150 mm×160 mm减小为135 mm×150 mm，桥壳大肚宽度保留为150 mm，故大肚两侧形成圆角过渡区域。在台架试验中，此桥壳过渡区多次出现裂纹，故此区域为有限元重点关注区。
根据桥壳尺寸和材质，模拟实际承载工况建立有限元模型。该车额定载荷为13 t，垂直载荷为13 t×2.5 =32.5 t，半壳材质为Q460C，桥壳应力分析结果如图4所示。去除约束点和施力点这些必然应力集中点，得到最大应力点在大肚两侧过渡区位置（与试验结果一致），最大应力不足350 MPa，远小于桥壳Q460C的屈服极限460 MPa，故此工况下，桥壳结构能够满足车辆使用要求。
根据QC/T 534，桥壳刚性判断标准为满载情况下，轴荷每米轮距最大变形不超1.5 mm[5]。经有限元分析可知，最大变形为1.86 mm。由于桥壳轮距为1 860 mm，则1.86mm/1.86=1mm＜1.5mm。桥壳变形结果如图5所示。可见，桥壳的刚性能够满足使用要求。
3.2 模态分析
模态分析首先设定桥壳参数，然后导入模型，设定固定约束，再设定模态阶数12阶，最后分析求解得出桥壳前6阶振型图[6]，如图6～11所示。
a. 第1阶桥壳振动为两端固定，整个模型以桥壳大肚为首在水平面方向前、后摆动，最大相对振幅为2.94 mm，对应固有频率为129.64 Hz。
b. 第2阶振动情况为两端固定，整个模型以桥壳大肚为首在竖直平面方向上、下摆动，最大相对振幅为4.11 mm，对应固有频率为156.58 Hz。
c. 第3阶振动情况为两端固定，整个模型以桥壳大肚为首，以X轴为轴线前、后摆扭，最大相对振幅为4.97 mm，对应固有频率为210.26 Hz。
d. 第4阶振动情况为两端固定，整个模型以桥壳大肚为首，以Y轴为轴线前、后摆扭，最大相对振幅为4.36 mm，对应固有频率为369.71 Hz。
e. 第5阶振动情况为两端固定，整个模型以桥壳大肚为首，以Z轴为轴线上、下摆扭，最大相对振幅3.85 mm，对应固有频率429.99 Hz。
f. 第6阶振动情况为两端固定，整个模型以桥壳大肚为首，沿X轴方向左、右伸缩，最大相对振幅为3.61 mm，对应固有频率为693.63 Hz[7]。
因中重型汽车行驶过程中，受路面和发动机激励频率为0～50 Hz，模态分析的前6阶均不在此范围内，故桥壳满足动态设计要求。同时，随着阶数的增加，固有频率也在增加，但相对振幅变化不大，还有下降的趋势。
4 生产实际因素分析
由于理论分析与具体的生产实际相比仍然存在很多未考虑因素，因此必须进行实际要素分析。
4.1 轴头焊接工艺影响
与整体铸造式桥壳不同，冲焊桥壳由钢板等多个制件焊接而成，因此必须考虑焊接工艺影响。桥壳试验中，几次出现在轴头焊缝处断裂，如图12所示。经对断口取样，测得焊缝宽19.2 mm，余高3.5 mm，环缝焊开坡口焊接存在根部未焊透缺陷，甚至个别件衬环与母材直接脱落，不满足工艺上侧壁熔深不小于1 mm的要求，焊缝断口如图13所示。
针对上述问题对焊接工艺进行改进，将根部间隙加大至6 mm，第二层单侧摆幅加大至3 mm，第三层单侧摆幅加大至12 mm，最终焊缝成形好，衬环熔深超过1 mm，侧壁熔深较理想，焊缝余高低，无焊趾，去除了应力集中危害，轴头焊缝质量得到较大提高。
4.2 凸轮轴支架垫板焊缝影响
因车轴匹配需要，冲焊桥壳上需焊接凸轮轴支架垫板。试验中发现，焊接或不焊接垫板对试验结果影响很大，桥壳在垫板处开裂如图14所示。
对断裂位置观测分析，此凸轮轴支架垫板焊缝已到了桥壳外圆角位置，此位置正是桥壳截面变化的过渡区域，易发生应力集中，与焊缝造成的应力集中叠加后，加大了桥壳结构应力集中的影响。并且，桥壳受载后，不焊接垫板时，桥壳从两头到中部均为大小近似的变形，可是焊接垫板后，原来的均匀变形在垫板处终止，可变形的钢板尺寸数量减少，于是产生应力集中，发生断裂。
为消除焊接应力，提高桥壳承载，经过分析及多次试验采用如下方法，改良效果明显：
a. 对垫板采用U型焊接，过桥壳中心20 mm以下不焊接，减少多余焊接应力；
b. 严格控制焊缝起弧、收弧点位置，躲开外圆角位置，消除残余焊接应力影响。
4.3 冲压钢板本身缺陷影响
冲压钢板自身缺陷也会降低桥壳使用寿命。经对裂纹源位置即过渡区的内圆角根部取样检测，在高倍放大镜下可以看到明显裂纹缺陷，如图15所示。测得两段较长裂纹分别为119 μm和178 μm。因此，必须重视对桥壳板材的质量检测，否则劣质的桥壳钢板将成为桥壳承载失效的重要导火索。
4.4 抛丸的影响
焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能与安全可靠性的重要因素，它在一定条件下会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生不利的影响[9]。某试验桥壳因焊法兰盘后未进行抛丸处理，导致在法兰盘处发生断裂，如图16所示。作为桥壳焊接后第一道工序，抛丸这一冷处理过程不仅去除焊接表面氧化皮提高外观质量，还改变工件的焊接拉应力为压应力，提高零件疲劳断裂抗力，防止疲劳失效、塑性变形与脆断，提高疲劳寿命。除此，通过提高工件表面粗糙度，还提高了工件后续喷漆的漆膜附着力。所以桥壳生产线上任何一道工序都不可忽视，均会对桥壳承载产生重大影响。
4.5 热处理影响
为提高桥壳抗疲劳能力，期间也对桥壳尝试进行热处理，以获得预期组织和性能[10]。桥壳采用Q460C材质，抗拉强度达730 MPa，延伸率为14%～16%，硬度为260 HB，冲击功为270 J。即先将桥壳加热至910℃～930℃，保温30 min，然后在40℃水温下淬火，如图17所示。随后在近600℃下回火处理。几次的实际试验尝试，虽然经测得热处理材质性能可得到20%的提高，可是对桥壳抗疲劳能力的提升并不明显，疲劳寿命在60万次左右。
4.6 焊接细节
此外，因冲焊桥壳本身存在多条焊缝，在实际生产中，焊缝融合差、焊缝下端存在尖点包括焊豆去除不净等，一旦焊豆飞溅并残留于桥壳敏感区，如图18所示，就会对微裂纹起到促进作用，削弱桥壳承载能力。
5 结语
桥壳的疲劳断裂、承载失效往往包含多种因素，需从多方面进行深入细致的分析研究。首先，桥壳的结构尺寸和材质的选择是影响桥壳承载能力的核心要素，在完成桥壳设计后必须建立三维模型进行有限元分析；其次，由于冲焊桥壳是由冲压钢板与后盖、轴头以及多个铸造小件经焊接拼制而成，因此冲焊桥壳的轴头、焊接、焊接以及各种垫板等小件的焊接时，一旦焊接工艺或细节处理不当，将对桥壳承载强度产生较大影响，必须选择合理的焊接参数，保证焊缝饱满，保证焊透，达到足够的焊件熔深；同时，对易引起焊接应力的复杂外形焊缝，要区别对待，如不采用环周满焊而采用U形焊接等，并且对待抛丸以及去焊豆等必要工序务必认真执行，尽最大可能去除焊接应力残余；此外，劣质的桥壳钢板始终是桥壳承载失效的一个重要导火索，对钢板的质量检测力度不得有丝毫放松；最后，试验表明，通过热处理对桥壳抗疲劳能力的提升效果并不明显。影响桥壳承载能力的其他因素还有很多，需要广大设计人员继续研究探索，才能找到更多的影响因素,以避免桥壳断裂情况的发生。
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Factor Analysis of Bearing Capacity Influencing of Bridge Shell
SUI Jing-yu et al
由于新研制的轻量化桥壳进行疲劳试验时频繁出现断裂失效的问题，为找到桥壳承载失效的原因，针对台架试验中不同的失效模式，对影响桥壳承载能力的因素进行了分析。首先，对4种典型工况下的桥壳受力情况进行了强度计算，然后通过有限元软件对桥壳进行强度和刚度的运算求解，随后进行模态分析，结果表明设计结构能够满足车辆的使用要求。接着，结合生产制造实际，对影响桥壳承载的如焊接影响、钢板缺陷、热处理和抛丸等几个因素进行了分析，总结了导致桥壳的疲劳断裂、承载失效的主要原因，具有一定的参考价值。
桥壳 断裂 理论分析 实际影响
in regarding to the problem of crake in the fatigue test for new designed axle house, the factors of influencing axle bearing performance was analysis in different bench scale test failure mode to find to reason for axle house bearing failure. First, four typical axle house stress condition was made strength calculation, then the modal analysis was carried out. The result showed that the design structure could satisfy the need. Finally, the factors of wielding influence on axle house bearing, defect of steel plate, heat treatment and ball blast was analyzed with consideration of actual manufacturing, and the reasons of fatigue crack and bearing failure of axle house were conclude.
axle housing; crack; theoretical analysis; practical effect
U463.218+.5
A
1004-0226(2016)11-0102-05
隋景玉，男，1981年生，工程师，现从事汽车零部件研发工作。
2016-10-08
