葉錦泉，李建坤，孔紅領(lǐng)

(東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心，廣東廣州 510800)

0 引言

汽車車輪作為底盤重要的安全件之一，起著支承整車的質(zhì)量、傳遞驅(qū)動(dòng)力、制動(dòng)力和轉(zhuǎn)向力的作用，其安全性和可靠性在很大程度上取決于車輪的制造質(zhì)量和使用壽命。針對(duì)底盤零部件的疲勞壽命驗(yàn)證，多數(shù)汽車企業(yè)及零部件供應(yīng)商只對(duì)少數(shù)樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果次數(shù)大于設(shè)計(jì)壽命要求的次數(shù)則滿足設(shè)計(jì)要求。但在實(shí)際使用過(guò)程中，汽車底盤零部件受力情況復(fù)雜，環(huán)境條件惡劣，單個(gè)或幾個(gè)樣件試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果次數(shù)不足以充分顯示其可靠性壽命，所以，通過(guò)數(shù)量有限的臺(tái)架試驗(yàn)樣本來(lái)評(píng)價(jià)整批產(chǎn)品的可靠性、失效機(jī)制等變得非常有必要。

現(xiàn)有研究中通常采用正態(tài)分布或威布爾分布來(lái)描述疲勞壽命，而威布爾分布已被證明在許多情況下能夠更好地描述疲勞壽命分布。威布爾分布是瑞典科學(xué)家威布爾(W WEIBULL)在1951年研究材料強(qiáng)度時(shí)，提出的一種概率分布函數(shù)。它具有適用性廣、覆蓋性強(qiáng)、能以較少的試驗(yàn)樣本得出較準(zhǔn)確的失效分析、能包容其他多種分布形式等特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)外，威布爾分布已在強(qiáng)度、環(huán)境研究領(lǐng)域及以損耗為特征的機(jī)械零件壽命評(píng)估中得到廣泛的應(yīng)用。

威布爾分在數(shù)學(xué)上可定義如下：

F(t)=1-e-[(t-t0)/η]β

(1)

式中：F(t)為故障密度分布函數(shù)；t為故障時(shí)間；t0為原點(diǎn)或者分布起點(diǎn)；η為特征壽命或尺度參數(shù)；β為斜率或形狀參數(shù)。F(t)定義了在時(shí)間t內(nèi)將要發(fā)生故障的一組部件的累積概率，那么1-F(t)為沒(méi)有發(fā)生故障的概率，用可靠度R(t)來(lái)表示：

R(t)=e-([(t-t0)/η]β

(2)

1 車輪彎曲疲勞壽命試驗(yàn)介紹

根據(jù)GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法》，車輪的彎曲疲勞試驗(yàn)裝置如圖1所示。將車輪牢固地夾緊在試驗(yàn)夾具上，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)加載軸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生一定的彎曲力矩，模擬車輪在行駛過(guò)程中受到的彎曲力矩。

圖1 車輪動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)圖

彎曲力矩計(jì)算如下：

M=(R·μ+d)·F·S

(3)

式中：μ為汽車在行駛時(shí)，路面與輪胎之間的摩擦因數(shù)；R為輪胎靜負(fù)荷半徑，是汽車廠或者輪胎廠規(guī)定的該型車輪上可用的最大輪胎靜半徑，m；d為車輪的偏置距(內(nèi)偏距為正值，外偏距為負(fù)值)，m；F為車輪最大額定載荷，N；S為強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)，GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)要求

針對(duì)兩種強(qiáng)化系數(shù)，當(dāng)S1=1.60時(shí)稱為大彎曲載荷耐久試驗(yàn)，S2=1.33時(shí)稱為小彎曲載荷耐久試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)僅是加載載荷的差異，載荷小時(shí)疲勞壽命次數(shù)多，試驗(yàn)結(jié)果的離散型也會(huì)大，故文中將針對(duì)小彎曲載荷耐久試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究。

2 分析結(jié)果及改善

在某項(xiàng)目的鋼車輪開(kāi)發(fā)過(guò)程中，根據(jù)整車條件及式(3)計(jì)算出的彎曲疲勞試驗(yàn)要求如下：

大彎曲疲勞耐久：M1=1.82 kN

小彎曲疲勞耐久：M2=1.30 kN

在鋼車輪樣件試驗(yàn)階段，按小彎曲疲勞耐久的條件進(jìn)行試驗(yàn)， 5個(gè)零件的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行威布爾分析。

表2 動(dòng)態(tài)彎曲疲勞壽命及威布爾計(jì)算結(jié)果

依據(jù)威布爾分析公式，結(jié)合以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出形狀參數(shù)β=2.79，尺度參數(shù)η=27.89，還可說(shuō)明單品的試驗(yàn)是滿足設(shè)計(jì)要求的。但經(jīng)過(guò)威布爾分析后，F(xiàn)(t)=5%的結(jié)果為9.61×104次，即從可靠性角度來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品被使用到9.61×104次后，發(fā)生故障的概率為5%，或者說(shuō)產(chǎn)品被使用到1.5×105次后沒(méi)有發(fā)生故障的概率為83.74%，存在著失效的風(fēng)險(xiǎn)。

為了提升鋼車輪的彎曲疲勞壽命，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)5號(hào)產(chǎn)品的壽命次數(shù)為3.8×105次，比其他產(chǎn)品2.0×105次左右的壽命高出近一倍。為了找出其原因，對(duì)所有試驗(yàn)后的產(chǎn)品進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)壽命較高的車輪在耐久試驗(yàn)后，其安裝面的接觸面積變大，即非接觸面變?yōu)榱私佑|面，如表3所示。

表3 耐久后各安裝面接觸情況

為了確認(rèn)接觸面大小對(duì)彎曲疲勞耐久壽命的影響，對(duì)車輪安裝的接觸面與非接觸面進(jìn)行了調(diào)查，該處安裝面與非接觸面之間允許存在一定的高度差，并對(duì)最大高度差進(jìn)行管理，要求如圖2所示。

對(duì)同批次產(chǎn)品的非接觸面進(jìn)行壓印分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)，安裝面與非接觸面在產(chǎn)品高度差為0.071 2 mm以上時(shí)，車輪螺母擰緊后不會(huì)產(chǎn)生接觸，低于該值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接觸，如圖3所示。

利用三坐標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)件的非接觸面高度差進(jìn)行測(cè)量，與疲勞壽命繪制關(guān)系曲線，如圖4所示。

由該擬合的關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)高度差即非接觸面是否接觸與彎曲疲勞壽命之間無(wú)直接關(guān)系。為了進(jìn)一步確認(rèn)，借助CAE分析進(jìn)行再次確認(rèn)，在3D數(shù)據(jù)上調(diào)整該處的高度差，對(duì)車輪的應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖2 安裝面與非接觸面高度差

圖3 非接觸面高度差與接觸狀態(tài)

圖4 非接觸面高度差與壽命之間的關(guān)系曲線

圖5 非接觸面高度差應(yīng)力圖

不同高度差的應(yīng)力分析結(jié)果如表4所示。

表4 非接觸面不同高度差應(yīng)力分析結(jié)果

從CAE分析結(jié)果也可以看出，接觸面積的變化并不會(huì)造成應(yīng)力的變化，即不會(huì)影響疲勞耐久壽命的試驗(yàn)結(jié)果。綜上可知，5號(hào)試驗(yàn)件疲勞壽命較其他產(chǎn)品高，并不是因?yàn)樵摿慵陌惭b面接觸面積比其他零件大即非接觸面變?yōu)榻佑|面造成的，而是由于其他原因。

對(duì)耐久后的試驗(yàn)件進(jìn)行再次確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)在耐久疲勞失效時(shí)，出現(xiàn)裂紋的位置都在散熱孔處，如圖6所示。

圖6 彎曲耐久疲勞失效位置圖

猜測(cè)散熱孔的失效是影響彎曲耐久疲勞的關(guān)鍵因素。為了找出其差異性，分工序?qū)ι峥椎囊恢滦赃M(jìn)行詳細(xì)確認(rèn)：

落料工序：此工序產(chǎn)生的豁口長(zhǎng)度差及工藝毛刺會(huì)有影響，對(duì)制件進(jìn)行檢查，無(wú)異常；

拉伸工序：此工序產(chǎn)生的豁口長(zhǎng)度會(huì)有影響，對(duì)制件進(jìn)行檢查，無(wú)異常；

修邊工序：此工序產(chǎn)生的缺口高度會(huì)有影響，對(duì)制件進(jìn)行檢查，無(wú)異常；

沖散熱孔工序：發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品輪輻沖散熱孔模具凹模刃口與輪輻制件之間存在著約1.5 mm的間隙，如圖7所示。

有間隙的零件，會(huì)造成散熱孔發(fā)生變形，影響散熱孔的尺寸，同時(shí)也會(huì)對(duì)下一步工序擠散熱孔造成難度：

擠散熱孔工序：此工序是為了對(duì)上一步?jīng)_散熱孔工序過(guò)程中造成的工藝毛刺進(jìn)行去除，若去除不完全，散熱孔周圍將會(huì)存在微裂紋，影響產(chǎn)品的彎曲疲勞壽命。

一般情況下，零件的疲勞失效為在外界載荷的作用下，零件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為錯(cuò)群的產(chǎn)生、駐留滑移帶和微裂紋的形成和擴(kuò)展，宏觀裂紋的產(chǎn)生直至疲勞失效。若散熱孔表面毛刺未清除完全，相當(dāng)于散熱孔的周圍已經(jīng)存在微裂紋，在試驗(yàn)中，該微裂紋將在彎曲疲勞載荷的作用下，迅速擴(kuò)展并發(fā)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致疲勞壽命次數(shù)大大降低。

圖7 沖散熱孔后制件與模具之間的間隙圖

為了確認(rèn)毛刺對(duì)耐久壽命的影響，驗(yàn)證上述理論的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果。文中安排制作了2批產(chǎn)品，對(duì)其中一批產(chǎn)品不做擠散熱孔工序，另外一批產(chǎn)品對(duì)散熱孔進(jìn)行打磨，確保毛刺完全去除，并對(duì)2批次產(chǎn)品進(jìn)行彎曲耐久疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)和威布爾計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同毛刺狀態(tài)彎曲疲勞耐久壽命及威布爾計(jì)算結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，散熱孔的毛刺程度對(duì)彎曲疲勞耐久壽命的影響非常大，是影響彎曲疲勞壽命的關(guān)鍵。

試驗(yàn)零件中，對(duì)散熱孔毛刺進(jìn)行打磨，可以確保毛刺的完全去除，但該方法成本高效率低，不能用于量產(chǎn)方案，需進(jìn)一步研究以找到量產(chǎn)的對(duì)應(yīng)方案。目前擠散熱孔工序示意如圖8所示。

利用沖壓設(shè)備并配合模具對(duì)散熱孔周邊進(jìn)行擠壓，以達(dá)到去除毛刺的目的。沖壓設(shè)備在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，控制的是沖壓的行程，因?yàn)楦鱾€(gè)產(chǎn)品的板厚差異及形狀差異，在同一行程的作用下，擠壓的程度會(huì)有所差異，即對(duì)毛刺的去除程度不一致，這就能夠解釋之前產(chǎn)品彎曲疲勞耐久壽命差異的原因。

為了保證沖壓設(shè)備對(duì)產(chǎn)品的擠壓程度的一致性，考慮將沖壓設(shè)備由行程控制更改為壓力控制，當(dāng)控制沖壓設(shè)備的壓力后，對(duì)于產(chǎn)品的板厚差異及形狀差異，設(shè)備將自動(dòng)控制給予不同的壓力，從而達(dá)到擠毛刺的程度一致，設(shè)備如圖9所示。

圖9 擠散熱孔設(shè)備增加壓力控制圖

增加壓力控制及顯示裝置后，需要再對(duì)壓力的控制范圍進(jìn)行確認(rèn)，因?yàn)槊痰臄D壓程度無(wú)法通過(guò)CAE進(jìn)行分析，只能通過(guò)實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，又重新制作了一批零件，分別以不同的壓力進(jìn)行擠散熱孔毛刺，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同擠散熱孔壓力彎曲疲勞耐久壽命及威布爾計(jì)算結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果中，可以看到23 T時(shí)的效果最好，總體的試驗(yàn)壽命較高，壽命的一致性也較好，經(jīng)過(guò)威布爾分析后，F(xiàn)(t)=5%的結(jié)果為5.557×105次，即從可靠性角度來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品被使用到5.557×105次后，發(fā)生故障的概率為5%，或者說(shuō)產(chǎn)品被使用到1.5×105次后沒(méi)有發(fā)生故障的概率為99.95%，產(chǎn)品的可靠性高，所以最終選擇23 T作為設(shè)備擠散熱孔的壓力，并作為量產(chǎn)方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)威布爾分析工具，分析出產(chǎn)品的疲勞壽命可靠性，文中在早期開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)各個(gè)樣件的疲勞壽命雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但F(t)=5%的分析結(jié)果不滿足要求，耐久的可靠性存在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)試驗(yàn)后產(chǎn)品進(jìn)行分析，從工藝的差異角度進(jìn)行改善，提升產(chǎn)品的可靠性，并在工藝參數(shù)不夠明確的時(shí)候，通過(guò)制作不同參數(shù)的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果固化生產(chǎn)工藝參數(shù)，從而達(dá)到提升產(chǎn)品的疲勞耐久壽命及威布爾分析結(jié)果。威布爾分析工具的應(yīng)用，為產(chǎn)品的疲勞壽命可靠性提供了依據(jù)，提升了整車的疲勞耐久壽命，使車輛的可靠性得到進(jìn)一步提升。