汽车前轴

2024-06-05

汽车前轴（共6篇）

汽车前轴篇1

前轴是载货汽车、大型客车底盘系统的重要保安件之一,形状复杂,承受冲击性负荷,尤其是车辆在下坡急刹车时,前轴将承受总负荷的2/3,因此对其强度、刚性和疲劳寿命要求较高,其品质直接影响到汽车传动系统的稳定性和负荷运行时的安全性。合理的前轴设计,不仅可以提高汽车的承载性能,还可改善汽车行驶中的平稳性。

随着国内汽车产业的迅猛发展及对产品品质要求的不断提高,尤其是汽车保安件的生产方式的优化,高端产品不断涌现。在保证产品品质的情况下,企业为提高市场竞争力,缩短前轴产品的开发周期,显得尤为重要。

1 前轴模具设计流程

在进行前轴的新产品开发设计时,一般是根据客户所提供的图纸设计模具,模具设计好以后,本厂有加工能力的则由本厂自己进行加工,也可委托他厂外协加工。但作为一个老厂,为了缩短生产周期,节约生产成本,也可利用本公司以往使用过的旧模具进行局部焊补或切削加工翻新制造。在实际生产过程中,有时还会接到用户对所提供的前轴图纸修改的通知,也应根据新图纸的形状和尺寸要求,对已设计好的模具重新修改。前轴产品的设计流程如图1所示。

(1)首先对前轴零件图进行三维造型设计。在这个过程中,还可能发现客户提供的零件图有无问题。

(2)将做好的前轴零件三维造型转换成前轴零件二维图纸,然后与客户会签前轴零件二维图纸。

(3)根据会签结果及其修改意见,综合考虑辊锻件和模锻件的设计知识,设计前轴模具的三维造型。

(4)将前轴模具的三维造型转换成前轴模具的二维图纸,图纸转换完毕,确认模具三维造型正确。

(5)模具CNC加工。

(6)模具加工完毕,进行模具调试。

模具调试成功,生产出合格产品,即可进行小批量生产。

一般情况下,新产品开发周期相对较长,因为重新制作模具需要准备模具锻坯、机械加工模块、精加工模具型腔和热处理等工序,需要较长时间,还有如确定开发方案、对产品和模具的三维造型设计和模具的加工、调试等,都需要一定时间。

下面简单介绍B02前轴的开发过程。

2 前轴模具设计

2.1 开发流程

在新产品开发、模具三维造型设计和模具CNC编程时,如由一位技术人员进行设计、编程,则设计、编程、校核周期长,开发进度难以保证,而且对技术人员的业务技能要求较高。由多位成员组成的开发团队能够缩短开发周期。往往在产品和模具设计过程中要严格协调,保证相互配合一致,不能出现差异。如果协调不好,人员配置不当,不能充分发挥每个人的主观能动性,会使人员冗余,使得生产总成本增加,也增加了产品开发时间,延缓了开发进度,且难以保证产品品质。

由图1可知,前轴新产品开发设计流程可分为五大阶段:开发背景阶段;产品三维造型设计阶段;模具三维造型设计阶段;模具CNC加工阶段;产品试锻、加工阶段。

作为新开发产品或新投产的生产前轴的工厂或车间,开始的工作量很大,工厂以前没有搞过类似产品,设计人员以前没有搞过,工人也缺乏操作经验,因此要花费较多的时间,开发周期较长。而一旦工厂里具有了一定的生产经验后,再开发前轴类型的产品就容易了。这也就是建厂历史较长的厂家或有经验的生产厂家开发周期较短的原因。

另外,当模具三维造型设计为第二个人时,负责模具三维造型设计的人员应认真读懂前轴零件图纸和新设计的锻件图纸。要和前轴零件图的设计人员相互沟通,不能粗枝大叶、不求甚解或对图纸的认识模糊不清。

在对模具模腔进行CNC加工时,CNC加工的编程人员也要与前轴零件设计人员、模具三维造型设计人员沟通清楚。

总的来讲,厂里的总工程师应该协调这三方面人员的工作,确保在设计和加工前轴模具时不要在图纸上发生矛盾,出现品质问题。

B02新前轴零件图如图2所示。

2.2 B02前轴的开发

2.2.1 开发背景阶段

在收到新产品零件图后,总工程师应组织召开评审会议,评审产品开发可行性,做出可行性分析报告。在进行可行性分析时,对比与本厂现有产品的相符性,评审确定开发周期和具体的开发方案等。

新开发的产品一般会有三种情况:①与本厂现有前轴产品完全相符,新产品和现有的前轴成品可以共用一种毛坯;②与本厂现有前轴产品局部相符,如只有工字梁尺寸和板簧部位尺寸局部相符,等;③与本厂现有前轴产品不相符。

作为一个生产前轴多年的老厂,在对B02前轴产品三维造型设计时,技术人员首先检查核对本厂有否生产过该产品或与其相近的产品。如有形状相似,或局部相符,或长短相近的产品,则具体区分异同。较为简便的方法可将B02前轴零件图或模具图与厂内已生产的前轴零件图或模具图分别叠放在一起,观察分析前轴各部位的干涉现象如干涉量是多少及其对产品品质的影响程度,并立即将这种情况通知用户。

如干涉量较小,用户认为可以使用,无关大局,则要请其会签认可我单位的图纸,然后投料生产。我们认为:如果能用现有的前轴产品,只需对现有产品的模具型腔进行局部修改,修改后尽量做到两种产品共用一种毛坯,这样可以大大节约开发新前轴的生产成本,因为不但减少了对模具的再次加工,也减少了为保证后续机械加工时重新设计和加工制造刀、模、夹具的加工量和工作量。

如果两种产品的锻件毛坯有较大不同,必须要区分,则尽量不要修改对锻件品质影响大、最容易出现品质问题、最不容易调试模具型腔获得满意品质的部分,如前轴的板簧座位置。因为板簧部位的截面积最大,在前轴生产过程中,板簧座附近的飞边最少,最容易发生产品缺肉,使产品不符合图纸要求。可以先在金属余量多,飞边大的地方修改,也尽量较小修改局部的尺寸。

如果不能共用一种锻件,那么就要重新生产。此时也不一定考虑所需模具全部重新制作,可以考虑利用闲置的老模块进行型腔翻新。这样可减少新模具加工投入的费用,缩短新产品的开发时间。对老模块进行改造翻新,先堆焊模膛,再采用数控加工中心加工出B02前轴模具型腔轮廓。

我们认为,及时就本单位的实际生产情况与客户沟通并会签图纸进行确认非常重要,否则就一定要根据零件图对模具进行修改,这相当于重新设计和制造模具。不但多花了模具的设计和制造时间,也增加了生产成本。另外,对设计人员也增加了麻烦,如果设计人员没有认真阅读图纸,没有正确理解图纸上的每一根线条和每一个细节,反而容易出错,造成不必要的损失。

2.2.2 产品三维造型设计阶段

对新产品B02前轴的开发方案确定后,即可进行产品三维造型设计。产品三维设计需要注意:首先要检查B02前轴二维零件图是否合理、准确。由于各种原因,客户提供的前轴图有时并不完全正确,尺寸和线型等的表示效果不一定非常正确。如果是电子版的图纸,还要看是否是1∶1的标注尺寸,如果不是,要将图形全部改成1∶1标注。因为在按1∶1的比值所画的图纸上,产品直观、准确,容易发现问题。

把B02前轴零件的二维图纸(图2)导入到三维设计软件里,做出零件的三维造型如图3所示(半成品,无板簧孔和主销孔),再把造型的轴头A和板簧座B、工字梁侧面C部位通过曲面抽取、延伸、拔模等方法对后续加工余量和拔模角度直接做出补充修改,做出前轴锻件三维造型,如图4所示。做完前轴锻件三维造型后,及时做出产品锻件的二维图纸,检查锻件三维造型尺寸是否正确。

前轴锻件三维造型和二维图纸必须得到客户的首肯,才能最终确定前轴加工成品图。与客户会签图纸这一环节非常重要,如果客户不同意某些尺寸,必须向其认真解释,使其领会有关原因或是有利于提高产品品质,或是为了降低生产成本,或是为了减轻工人的劳动强度等。如用户还是不同意,那就一定要按照用户要求再次修改前轴零件和模锻件的三维造型和二维图,直至客户同意,否则不能生产,当然更不能制作模具。

某厂曾经发生在开发前轴时,在产品造型中改动个别尺寸,但没有向客户通报和与客户会签图纸,结果生产出的产品交付客户进行装配时产生干涉,无法使用。

在与客户对前轴零件图会签后,方可设计模具,确定模具型腔尺寸。为了缩短开发时间,最好用闲置的旧模具进行局部焊补或切削加工翻新制造,确定最佳模具型腔的堆焊工艺方案。

设计焊接工艺方案的对比图是为了在确保模具使用寿命的前提下,考虑工人容易焊接操作,保证焊接品质,节省焊材。在焊接工艺方案对比图上需明确标识出模具型腔需要堆焊的部位,同时用不同的线型区分新前轴产品模具和原前轴产品模具的外廓尺寸。一般用粗实线表示图纸中的可见轮廓尺寸,不可见轮廓线用虚线画出,细实线表示剖面线、剖面边界线、尺寸线和尺寸界线,双点画线表示成品尺寸,单点画线是中心线。虚线、细实线和细点画线的图线宽度约为粗实线的1/3。

2.2.3 模具三维造型设计阶段

前轴零件图纸会签确认后,即可根据锻件的三维造型设计前轴模具,如辊锻模、终锻模、切边模、校正模等。在这些模具设计时,对辊锻模的设计尤其复杂,其工作量最大。例如对辊锻模型腔“拳头”部位、板簧部位、工字梁截面的设计和如何合理确定这些部位不同的热缩率等。

辊锻模型腔截面大小是由锻件对应区段的截面加上飞边截面和考虑了锻件公差而决定的,其截面大小与相应区段成形难易有关。辊锻模型腔设计的精确程度直接决定了锻件材料利用率的高低,因此为了提高产品竞争力,获得更高的经济效益,精确制坯一直是锻造工艺人员努力的方向。但是,在大批量、高效率的生产环境下,制坯的稳定性更为重要。变截面的数量越多,辊锻模的设计工作量越大,模具的制造维修越复杂,越麻烦。如模具型腔设计得不合理,辊锻生产时的稳定性越差,成品率低;反之,则辊锻生产时的稳定性好,成品率高。因此设计时,综合各种因素后,在获得较高材料利用率的同时应该尽可能减少变截面数量,B02前轴截面图如图5所示。

有关具体的前轴辊锻模设计过程可参考拙作《M4轻型载货汽车前轴辊锻模的设计》,该文发表于《金属加工(热加工)》杂志2015年第9期。

前轴锻件用材料主要分为调质钢和非调质钢。调质钢有45、50、40Cr及42Cr Mo等,非调质钢有12Mn2VB、32Mn Si VS5等。它们的热收缩率大致为1%~1.7%,非调质钢的热收缩率取较小值,调质钢的热收缩率取较大值。不同的模具热缩率也是不同的,终锻模比校正模稍大。

作为工厂的总工程师,在组织设计人员进行三维模具设计时应统一设计思路,明确分工,区分职责,充分发挥各个技术人员的主观能动性。设计人员在进行任务交接时,应当书面交接,双方签字确认。前轴锻件设计人员和模具设计人员工作交接中不能掉以轻心。在图纸上一旦出现错误,不管大小,都会使产品出现品质问题,给工厂带来经济损失。

模具三维设计完成后出模具二维图纸,还要再次校核模具三维造型的正确性。

前轴零件往往是客户厂家自行设计的,有经验的产品设计人员必然要懂一些前轴产品加工制造工艺。我们搞前轴产品加工制造的人也要了解一些前轴装配车辆的性能和在使用场合的受载情况及对轮廓尺寸的要求。

2.2.4 模具CNC数控加工阶段

模具的二维图纸完成后,即可对模具进行CNC编程加工,要求编程工程师编的加工刀路尽可能避免出现抬刀程序和走空刀程序,从而节约加工时间。模具加工完成验收时,型腔尺寸应该采用样板进行检验。虽然采用数控CNC加工,加工的尺寸和加工精度比电火花加工大大提高,但是检验这一环节仍然不能忽视。型腔尺寸用样板检验比用游标卡尺检验方便准确,测量误差小。而且样板制作简单,只需要采用一块2mm~5mm低碳钢板,把需要测量的模具型腔截面线切割加工后即可使用。图6为检验某前轴工字梁部位型腔尺寸的线割样板。为了防止使用过程中的磨损致使尺寸超差,最好对其进行渗碳处理。

模具检验后,应把检验数据认真记录存档,方便日后查找、追溯。对于这些工作,都应当作为厂里的一项制度认真执行,不能掉以轻心,敷衍了事,更不能随意违反。

2.2.5 产品试锻、加工阶段

对加工完的模具验收合格后,即可进行调试模具试生产。

在产品试锻和加工时,要做好每一样件的调试参数记录和样件的检测和加工记录。这样出现问题可以改进,也能追溯查找责任。对总结前轴设计经验,提高产品品质,降低生产成本,缩短新产品开发周期也大有好处。

3 结束语

前轴新产品开发应进一步向标准化和流程化方向发展。在有条件的单位,都应对前轴产品和有关工模夹具建立适应本单位的企业标准;新产品开发时,必须进行评审,确定最佳开发方案,这样可以减少技术人员的冗余工作,大大节约开发时间。同时,能及时发现和找出各阶段存在的问题和必须改进之处,不断总结设计经验,对提高本厂产品品质大有好处,也有利于本厂技术人员业务能力的提高。

参考文献

[1]刘元伟,王孝文,刘金行.M4轻型载货汽车前轴辊锻模的设计[J].金属加工(热加工),2015,(9):64-68.

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[3]叶强.典型载货汽车前轴模锻设计[J].金属加工(热加工),2012,(5):29-31.

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[5]刘爱君,徐功亮.前轴模具的设计过程及锻模的翻新[A].山东汽车工程学会学术年会优秀论文集[C].济南:2007:29-31.

[6]赵明钟,韩俊栓.锤锻汽车前轴工艺模具设计[J].锻压装备与制造技术,1994,29(5):30-33.

[7]王玉远.汽车前轴压力机锻模的翻新[J].汽车科技,1991,(2).

[8]许淑珍,田晨.重型卡车前轴模锻设计[J].锻压装备与制造技术,2006,41(1):78-80.

汽车前轴三坐标检测方法篇2

汽车前轴作为汽车的重要承载部件之一, 是连接车身与悬架的重要部件, 用于在车架和悬架之间传递铅垂力、纵向力和横向力, 同时前轴还要承受由悬架传递而来的制动力矩和侧滑扭矩。同时汽车前轴作为安保件, 其加工精度决定整车转向系统的装配性能, 因此需要有效的手段来保证产品的加工质量。

以往通过经验或者万能检测设备与仪器进行检测的方式, 已经不能满足现代化汽车工业生产的需要, 而三坐标测量机具有测量精度高、测量范围广、操纵灵活方便、处理数据迅速准确等特点, 在汽车工业生产线监控和批量监控及产品分析中发挥着越来越重要的作用。

我公司是国内专业生产商用车前轴的工厂, 由于和Volvo、ZF、Arvin Meritor等国际化公司的合作, 对质量要求相当严格。本文重点介绍一种汽车前轴的三坐标检测方法, 分析并采取最优方案。实践证明所采取的措施, 有效地保证了产品质量, 满足了客户要求。

坐标系的建立

建立零件坐标系在三坐标测量的直接体现是提高测量效率和测量的准确性, 这也是三坐标测量区别于传统测量的主要特点之一。有了零件坐标系, 测量由软件进行坐标转换, 实现自动找正。在零件坐标系上编制的测量程序, 可以重复运行而不受零件摆放位置的影响, 所以编制程序前首先要建立零件坐标系。

三坐标检测基准的建立主要有三种方式:点、线、面, 面、面、面, 面、圆、圆。由于前轴加工关键工序 (主销孔及拳头端面的加工) 均采用“一面两销”, 即板簧面和两定位销孔定位 (见图1) , 所以检测也可以采用“面、圆、圆”建立坐标系:面为板簧面, 两定位孔为两圆, 确保定位基准和检测基准的一致性。

在建模过程中, 考虑到2个板簧平面之间有平面度的误差, 要在两板簧面上分别取点, 由2个板簧面建立的大平面来确立平面, 这样可以避免建模的误差。建模过程中可以采用基准—向导—平面、圆、圆的方式进行建模, 确保建模快捷、准确。

几何元素的测量

三坐标在进行几何元素测量时, 用红宝石测头在几何平面上接触几个点, 测量系统将测量点的坐标传送到控制计算机, 计算机根据测量元素的矢量, 用数学方法计算出该元素的实际数值和该元素的测量误差, 同时可以根据测量的数值计算出位置误差和形状误差。因此, 在检测过程中对几何元素的正确取点是保证三坐标检测数据准确性的基础。因此在检测之前, 需要同步考虑测量零件的形状、表面粗糙度等实际特征, 从而来选择测量点选取的位置、顺序、方向和所采集点数。如果不考虑测量工件的实际情况, 仅仅按照三坐标软件中规定的采集点数来进行测量, 实测数据和真实数据将会有很大的测量误差。

下面结合一种汽车前轴零件检测程序为例, 来总结和说明检测过程中取点的重要性。

1. 平面的测量

前轴检测平面主要有板簧平面、减振器平面以及主销孔平面, 其中板簧平面有平面度要求, 其为板簧孔位置度的基准;减振器平面为减振器孔位置度的基准;主销孔平面对主销孔端面跳动有要求, 且为重要特性, 因此平面的测量准确性对整个检测结果影响是非常大的。

在测量平面时, 采点的采测方向应当与平面的法线一致, 并使采测点尽可能分布在被采测面上, 采测点越多越好。三坐标测量平面是通过测量平面上N (N≥3) 个点的坐标计算出一个理论平面, 这个理论平面到所有检测测量点的偏差平方和为最小, 即最小二乘平面。例如在检测板簧平面时, 采点方向应当尽量与板簧面垂直, 采测点尽量分布在两个板簧平面上。

由于该前轴拳头端面有8.5°的内倾角和3.5°的后倾角 (见图2) , 因此测量拳头端面为斜面的测量。在检测过程中, 手动测触工件很难保证测量方向和工件的法线矢量方向一致, 手动测量斜面时, 触测方向和法线矢量方向有一个夹角α (见图3) , 这样测出来的结果就会有一定的误差。因为测量机处理数据不是以测头表面而是以球心位置来计算的, 半径补偿是沿矢量方向给予的。因此在手动检测斜面时, 尽量沿被测点的法向方向触测和后退测头。同时手动测量完毕后, 尽量让设备在自动模式下再运行自动测量, 这样测头就可以根据零件的实际情况, 沿着法向矢量方向进行检测。

2. 孔的测量

前轴孔主要有板簧孔和减振器孔等, 这些孔如果检测结果和实际不符, 则会影响后续装配。同检测平面一样, 检测孔时, 先用测头对表面进行取点, 通过最小二乘法计算出孔的直径、中心坐标和轮廓度等尺寸。测量孔径最小二乘法是所取点上的平均直径, 它可以减小测量过程中的误差, 同时可以消除加工过程中出现的个别高点或低点对尺寸的影响, 但在装配过程中这些高点或低点往往是影响孔轴配合的关键因素。

例如, 在测量该前轴定位孔φ20+0+0.033时, 由于最小二乘的关系, 会出现虽然测量结果合格但影响装配的现象。因此检测孔时采点要尽量避免跳跃式采点, 采取自动采点, 这样可以避免因为采点的力不一样而造成测量的误差。同时可以配合通止规对三坐标检测结果进行校核, 如检测结果不一致, 及时找出孔内的高点和低点, 分析产生的原因, 及时解决, 以避免影响后续装配。

3. 圆柱的测量

该前轴主销孔φ50-0-0..050025 R7、长99.7mm的圆柱, 主销孔直径影响主销及转向系统的装配, 且主销孔为前轴的关键特性, 其测量的准确度直接决定拳头端面垂直度、落差等尺寸。圆柱的测量原理和圆的测量原理类似, 通过测量评价得到最小二乘圆柱的轴线坐标和最小二乘圆柱半径。最小二乘圆柱半径是整个圆柱各个方向上的平均半径 (见图4) 。由于其测量点和测量位置的增加, 圆度误差和圆柱直线度和平行度误差的存在, 造成最小二乘直径和圆的实际直径误差较大, 有可能存在影响装配的现象。

程序编制过程中, 通过反复测量, 再用内径千分尺进行校核, 还是存在误差。最后通过调整采点的位置和2个圆柱取样的高度, 终于达到了一致。但是在测量圆柱时要注意以下几点:

1) 圆柱第一段圆的采点必须近似垂直于主销孔轴线, 这样得出来的直径测量数据比较准确, 以避免由于取点问题而造成测量误差。

2) 最后一点的采样决定圆柱轴线的方向余弦。

3) 圆柱测量时, 每个圆环取点不少于3个, 该前轴两个圆环之间的距离必须≥50mm (主销孔直径) 。

结果输出

在评估板簧面的平面度时, 由于三坐标是采用最小二乘法来计算的, 而现场传统检测平面度采用平板和塞尺, 用平板塞尺所测量的平面度是最高点或最低点和平面的距离, 因此两种检测方法可能存在差异。

在输出位置度时, 一定要明确位置度的基准, 输出时要同步考虑最大和最小实体原则。

其他注意事项

1) 工件吊装前, 要将探针退回坐标原点, 为吊装位置预留较大的空间;工件吊装要平稳, 不可撞击三坐标测量仪的任何构件。

2) 编程过程中统一考虑检测顺序, 优化检测轨迹, 提高检测效率。

3) 当编好三坐标的程序自动运行时, 要防止探针与工件的干涉, 故需注意增加安全点。

4) 检测完成后, 立即清洁三坐标测量仪的工作台台面, 确保下次正常使用。

结语

通过以上测量实例分析可以看出, 在进行三坐标测量时, 首先要明白其测量机理, 对得到的测量数据要进行合理的分析, 尤其是对单一要素的测量。其次, 三坐标测量机功能强大, 测量准确, 但是要有正确的测量方法并正确的处理测量结果, 使三坐标能够正确指导我们的生产。

汽车前轴损伤原因分析及检测方法篇3

一、前轴损伤原因分析

1. 前轴弯曲和扭曲产生的原因

(1) 汽车行驶中的垂直和侧向反作用力在前轴的垂直平面内产生弯矩, 造成前轴中部及主销孔附近在垂直方向上弯曲。钢板弹簧座附近、主销孔附近及前轴中部断面的弯曲应力最大。

(2) 汽车转弯时, 外侧向反作用力使前轴向上弯曲;内侧向反作用力则使前轴向下弯曲。我国车辆都是靠右行驶, 且右转向较多, 右转向转弯半径小, 则离心力大, 造成左悬架受力大, 地面的反作用力也大, 因此所受弯矩也就大, 这就造成了前轴左端向上弯曲大于右端向上弯曲, 即左销孔内倾角增大, 右销孔内倾角减小。在右转弯时, 右车轮速度小于左车轮, 故右车轮受纵向力大于左车轮, 这就造成主销孔轴线向前扭转, 前轴中部向前弯曲, 右边大于左边。这也是右主销孔磨损大于左主销孔, 右主销孔轴线与钢板弹簧定位孔轴线 (或定位孔对称点) 偏差距离大于左边的原因之一。

2. 前轴磨损产生的原因

(1) 由于作用在前轴上的垂直弯矩大于水平弯矩, 故主销孔及上下端面的横向磨损大于纵向;又因向上的作用力大, 使主销孔下部磨损大于上部。

(2) 由于前轴的弯曲变形, 使主销孔轴线间距变小, 作用在前轴上的各力使主销在孔中有两个方向扭转的趋势, 前轴主销孔与主销系过渡配合, 中部的楔形横销, 控制主销上下窜动和转动。在前轴受力时, 主销只能以横销为支点摆动, 由于两端摆幅大, 所以主销孔上下部分磨损大于中间。

(3) 钢板弹簧座平面、定位孔和螺栓孔的磨损, 主要是由于钢板弹簧紧固螺栓松动后, 汽车在运动中, 钢板弹簧与座、定位销与定位孔、螺栓与螺栓孔产生相对运动而造成的。

3. 前轴裂纹产生的原因

由于汽车行驶时受力复杂多变, 所以它们的磨损是不规则的。前轴受力复杂多变, 以垂直弯矩为大。当汽车制动时, 前轴负荷增大;汽车通过凹凸不平路面时, 前轴受冲击负荷, 由此容易引起金属疲劳, 而在弯曲应力最大处产生裂纹。

二、前轴损伤检测方法

1. 前轴弯曲的检测

(1) 用直角尺检查前轴变形。

将与转向节销直径相同的试棒插入销孔内, 并在两钢板弹簧座上各放一只专用垫铁, 在垫铁上放一只专用角尺, 使角尺直立边贴靠试棒, 即可查出结果。若角尺上端有间隙, 说明前轴向下弯曲;若角尺下端有间隙, 说明前轴向上弯曲。另外, 还可以从角尺与垫铁刻线重合情况, 以及角尺与试棒的重合情况, 判断前轴有无前后弯曲和扭曲。该方法所需的设备简单操作方便, 但是检验精度不高, 不能定量地测出工字梁弯曲和扭曲的数值。

(2) 用拉线法检查前轴变形。

将前轴置于水平位置, 画出两钢板弹簧的中心线, 检查拉线与两座的中心线是否处在同一条直线上。如两中心不在同一直线上时, 则说明前轴向前或向后弯曲;然后将两端吊有重物的细线放在前轴主销孔上平面的中心位置上, 要求主销孔中心与钢板弹簧座平面, 与细线间的距离是相等的, 如不等则表明前轴两端有上下弯曲。

(3) 用水平仪检验法。

用试棒插入主销孔内, 将前轴夹在虎钳上。将水平仪放在某一个钢板弹簧座平面上找平, 然后再把水平仪放在另一个钢板弹簧座上, 视其是否与放在前个钢板弹簧座上的水平仪刻度相同, 再将水平仪横放 (垂直前轴) , 这时如果水平仪气泡不在中心位置, 说明轴扭曲。如将水平仪顺轴平放, 气泡不在中心位置, 则说明轴弯曲。同样也可在两主销孔之间放一钢板直尺, 把水平仪分别纵放在两端主销孔上, 查看气泡位置, 以确定是否有扭曲。

2. 前轴裂纹的检查

汽车前轴篇4

汽车前轴是汽车的关键承载件,主要用于在车身和发动机及悬架之间传递作用力。前轴与动力总成悬置和前悬架摆臂通过橡胶悬置相连,是汽车发动机激励向车身传递的通道,是影响整车NVH(noise vibration harshness)性能的重要组成部件。优化前轴结构的振动特性,从而抑制动力总成的振动,对于提高整车NVH性能具有十分重要的意义。

工程实际中,各设计参数的特性具有统计分散性。对于汽车产品设计,只有考虑各设计参数特性的统计分散性,进行不确定性分析,才能更好地反映汽车零部件的真实情况,使汽车零部件的设计工作性能与实际工作性能更加吻合[1,2]。可靠性优化设计方法是考虑各设计参数的不确定性,在可靠性基础上对结构进行优化设计的方法。可靠性优化设计的目标为:在保证结构工作可靠度不低于某一规定水平的条件下,使结构性能指标达到最优[3,4,5]。文献[6]针对薄壁梁耐撞性问题,以降低薄壁梁质量为优化目标,结合可靠性理论和遗传算法,对薄壁梁进行了可靠性优化分析;文献[7]建立了转子系统固有频率可靠性分析模型,应用随机摄动技术、概率统计方法和可靠性理论,对转子系统固有频率进行了可靠性分析;文献[8]提出了非正态分布参数的汽车零部件的可靠性稳健设计方法,分析了连杆、后桥和钢板弹簧强度的可靠性。

目前,对结构动态特性进行可靠性优化的研究工作并不多见。本文将可靠性理论引入汽车前轴优化设计,为避免前轴共振以及保证前轴的动态特性,前轴一阶模态频率应超过发动机工作转速内主要激励力的激励频率,前轴驱动点的速度导纳应低于给定动刚度的速度导纳。本文方法以降低前轴总质量为优化设计目标,在基本随机变量概率特性已知的情况下,对汽车前轴结构进行可靠性概率优化设计。

1 前轴有限元分析

1.1 前轴有限元模型

前轴与动力总成悬置和前悬架摆臂通过橡胶悬置相连,是影响整车NVH性能的重要组成部件。提高前轴结构的模态频率,改善激励点速度导纳,能有效避免前轴共振,提高前轴动态特性。

汽车前轴由多个构件组成,一般包括下横梁、盖板、加强板、支撑板及连接件等。某微车前轴的有限元模型如图1所示,有限元模型包含12 198个节点和11 546个单元,在前轴与大梁连接处四个螺栓孔处采用固定约束。

1.2 前轴速度导纳有限元分析

工程中常用速度导纳评价结构的动态特性,速度导纳越小,动刚度越大,表明相同激励力下结构振动响应越小。通过对发动机悬置激励点进行前轴驱动点速度导纳分析,可评价前轴的动态特性。

速度导纳为振动速度幅值与激励力幅值之比,即

由于汽车动力悬置为弹性元件,在低频范围内悬置动刚度可用其静刚度近似替代,故刚度为k0的汽车动力悬置速度导纳为

式中,u为响应点的位移幅值;ω为圆频率;f为频率。

对某微车前轴的速度导纳进行分析时,由于前轴结构的对称性,本文只对发动机左侧悬置激励点进行前轴驱动点速度导纳分析。分别在发动机左侧悬置激励点施加x、y、z方向单位宽频力,激励频率为20~200Hz,步长为1Hz,拾取加载工况激励力方向上的速度响应,获得发动机左侧悬置点三个方向的驱动点速度导纳。为了保证汽车动力悬置的隔振率,与汽车动力悬置连接的结构驱动点的动刚度应高于动力悬置动刚度的10倍,即发动机激励点的驱动点速度导纳应不超过悬置速度导纳的十分之一[9]。根据该车悬置刚度最大值为100 N/mm,选取前轴动刚度目标值为1000N/mm,即能够保证悬置的隔振率。发动机激励点的三个方向驱动点速度导纳和速度导纳上限值如图2所示。从图2可以看出,分析频率在182~189Hz内x方向和分析频率在38~195Hz内z方向驱动点速度导纳超过速度导纳的上限值,不能保证悬置隔振率要求,需要提高前轴动刚度,降低驱动点速度导纳。

2 可靠性优化设计

2.1 可靠性设计

结构设计是否满足可靠性的要求,需要分析该设计的可靠度,如可靠度不满足设计要求,则需要进行可靠性优化设计,故可靠性分析是进行可靠性优化设计的基础。结构可靠性被定义为满足约束条件的概率,可靠度的计算公式为

其中,fX(X)为随机参数向量X的联合概率密度函数;g(X)为约束函数,可表示结构的两种状态:

极限状态方程g(X)=0是一个n维数曲面,称为极限状态面或失效临界面。

可靠性指标β的定义为

式中,μg为约束函数g(X)的均值;σg为约束函数g(X)的标准差;E为均值函数;var为方差函数。

采用一阶可靠性分析方法可计算可靠性指标参数中的约束函数的均值和标准差:

式中,μX为随机参数向量X的均值;σX为随机参数向量的标准差。

在随机参数向量X服从正态分布时,可以用失效点处状态表面的切平面近似地模拟极限状态表面,可以获得可靠度的一阶估计量:

式中,Φ(·)表示标准正态分布函数。

2.2 可靠性优化的数学模型

可靠性优化设计的基本思想是在保证结构工作可靠度不低于某一规定水平条件下,使结构性能指标达到最优,其实质就是在确定性优化过程中将设计变量处理成随机变量,并将确定性约束条件修改为随机性约束条件,从而构成可靠性设计优化问题[10]。可靠性优化的数学模型可表示为

式中,F为目标函数;d为设计变量向量;μ为随机向量X的均值;Ri0为第i个概率约束的目标可靠度;P(gi(d,X)>0)为gi(d,X)>0条件下的概率;m为概率约束的个数;dlk和duk分别为第k个设计变量dk的下限和上限;n为设计变量的个数。

遗传算法能在较大的设计变量空间内迅速寻优,有较强的全局优化性能[11],本文采用遗传算法对结构形状进行全局优化。取设计变量d为遗传算法的群体,可靠度指标为遗传算法的适应度函数,选择遗传算法的交叉概率为0.5,变异概率为0.01。

可靠性优化设计流程如图3所示。

3 数值算例

对图1所示的某微车前轴进行可靠性优化设计,选择前轴主要构件参数盖板厚度、横梁厚度、加强板厚度、支撑板厚度为设计变量,分别以参数t1、t2、t3和t4表示,厚度变量的初始值分别为1.5mm、1.5mm、1.5mm、2.0mm。

该车发动机最大转速为6000r/min,发动机为直列四缸,主要激励力为2阶惯性力和2阶转矩,则发动机工作转速范围内的2阶激励频率为0~200Hz,在发动机主要激励力频率内,为了避免前轴与发动机共振,前轴一阶模态频率应高于200Hz,从1.2节的分析可知,前轴动刚度目标值为1000N/mm,在发动机2阶激励频率内发动机激励点的驱动点三个方向的速度导纳值应低于给定动刚度目标值的速度导纳值。

由于速度导纳是频率的函数,若直接以每个分析频率下的驱动点速度导纳作为约束,则会导致约束方程数量过多而不适用于可靠性优化设计。要保证每个频率下的驱动点速度导纳低于速度导纳上限值,只需保证分析频率下速度导纳上限值与驱动点速度导纳最小差值大于0,则多频率速度导纳约束可转化为单一约束,驱动点三个方向的速度导纳差值可表示为

式中,f为分析频率;Y1为与动刚度目标值对应的悬置速度导纳;Yx、Yy、Yz分别为x、y、z三个方向的发动机激励点的驱动点速度导纳;ΔYx、ΔYy、ΔYz分别为x、y、z三个方向发动机激励点的驱动点速度导纳与速度导纳上限值的差值。

前轴设计约束可表示为

式中,fmin和fmax分别为分析频率的下限和上限;f1为前轴一阶模态频率。

本文取分析频率为20~200Hz,步长为1Hz,以降低前轴总质量为优化目标,设计变量范围为0.8~2.5mm,目标可靠度为95%,前轴确定性优化数学模型可表示为

式中,m为前轴质量。

可靠性优化是给定各个设计变量的概率分布函数,将确定性设计约束转化为概率约束,则前轴可靠性优化数学模型可表示为

通过对前轴初始模型进行有限元分析,其一阶模态频率为185.3Hz,位于发动机二阶激励频率内,易发生共振,从1.2节的分析可知,分析频率在182~189Hz内x方向和分析频率在38~195Hz内z方向驱动点速度导纳超过速度导纳上限值,动态特性不满足约束条件,为此需要进行优化设计。

前轴确定性优化结果如表1所示,一阶模态频率为228.2Hz,驱动点速度导纳如图4所示,z向驱动点速度导纳在200Hz区域接近速度导纳上限值。假定各个变量服从正态分布函数,各个变量以确定性优化解为均值,取均方差与均值之比为0.05,根据式(7)得知,确定性优化结果的设计约束只有55%的可靠度,使得z向速度导纳处于临界状态,一旦由于加工制造等因素使得设计变量产生轻微波动,就可能使确定性优化设计超出约束范围而不可行,因此需要在确定性优化的基础上进行可靠性优化设计,通过可靠性优化设计使得设计约束满足给定的可靠度。

本文假定各个设计变量服从正态分布函数,取均方差与均值之比为0.05,前轴可靠性优化结果亦如表1所示,一阶模态频率为236.9Hz,动态特性满足约束条件,发动机激励点的驱动点速度导纳如图5所示,发动机激励点的驱动点速度导纳远离速度导纳上限值,根据式(7)得知,设计约束有95%的可靠度,达到了给定的可靠度目标值,满足了设计要求。

4 结束语

可靠性是评价产品设计质量的重要指标,可靠性优化方法在设计阶段就考虑了各种不确定因素的影响,因而在获得最优解的同时,能够较大幅度地提高产品的可靠性。对某微车前轴动态特性的可靠性优化设计结果表明,可靠性优化后前轴一阶模态频率避开了发动机二阶激励频率,发动机激励点的驱动点导纳低于速度导纳上限值,改善了前轴的动态特性,设计约束可靠度达到了目标值,满足了设计要求,达到了可靠性优化设计的目的。

摘要：将可靠性分析与优化技术相结合,提出一种改善汽车前轴动态特性的可靠性优化设计方法。该方法建立了汽车前轴动态特性的可靠性优化模型,以一阶模态频率和发动机激励点的驱动点速度导纳为动态特性约束,以前轴总质量为优化目标,对前轴进行可靠性优化。对某微车前轴动态特性的可靠性优化设计结果表明,该方法有效改善了前轴的动态特性,动态特性约束满足了可靠度设计要求,达到了可靠性优化设计的目的。

关键词：汽车前轴,动态特性,可靠性,优化

参考文献

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[10]Youn B D,Choi K K.An Investigation of Nonlin-earity of Reliability-based Design OptimizationApproaches[J].Journal of Mechanical Design,2004,126(4):403-411.

车辆前轴的可靠性设计新方法篇5

关键词：可靠性优化设计,鞍点逼近技术,车辆前轴

1 前言

众所周知, 可靠性设计的核心是预测机械零部件在规定的工作条件下的可靠性或是失效概率。这就需要知道其概率密度函数或联合概率密度函数, 但是在工程实际中是很难有足够的资料来确定它们的。即使是近似地指定概率分布, 在大多数情况下也很难进行积分计算而获得可靠度或失效概率。为了解决这个问题, 对机械结构的可靠性进行准确的评估, 很多专家和学者致力于这方面的研究, 至今已出现的计算显性功能函数可靠度的方法主要有:一阶可靠性方法 (FORM) 、二阶可靠性方法 (SORM) 、高次高阶矩法、Monte-Carlo法。这些方法在机械结构的可靠性设计方面起发挥了巨大的作用, 机械结构可靠性工程也日趋完善, 但是国内外专家仍在不断的寻求更高效、计算精度更高的可靠性分析方法。

国内主要将鞍点逼近应用在经济、统计学领域。本文将鞍点逼近应用到螺栓的可靠性稳健设计中。鞍点逼近法发展了机械产品的可靠性设计理论与方法, 提高了机械产品的可靠性和安全性, 从而提高产品的质量, 提高产品的市场竞争能力。

2 结构可靠性设计的鞍点逼近法

Y=g (X) 概率密度函数 (PDF) 可以由下式表示

式中y表示的是随机变量Y的取值, K"是Y=g (X) 的累积母函数的二阶导数, ts是鞍点, 可以通过下式求得

式中K'表示的是Y=g (X) 累积母函数的一阶导数。根据Lugannani和Rice[16]逼近样本均值尾概率的分布的鞍点逼近公式计算结构响应的的分布函数为

式中, Φ (·) 和准 (·) 分别表示标准正态分布函数的累积分布函数的CDF和概率密度函数PDF。

3 汽车前轴的可靠性分析

前轴截面系数

前轴极截面系数

危险点的最大正应力和最大剪应力分别为

这里M和T分别为弯矩和扭矩。根据第四强度理论, 前轴的合成应力为

则以应力极限状态表示的状态方程为

可靠性分析的目的是计算

式中r为前轴材料的强度值。

国产某种汽车前轴的危险截面的几何尺寸的均值和标准差分别为 (μa, σa) = (12, 0.06) mm, (μt, σt) = (14, 0.07) mm, (μh, σh) = (80, 0.4) mm, (μb, σb) = (60, 0.3) mm;危险截面承受的弯矩和扭矩为服从正态分布的随机变量, 均值和标准差为 (μM, σM) = (3517220, 319715) N·mm, (μT, σT) = (3026710, 245160) N·mm, 材料强度的均值和标准差为 (μr, σr) = (550, 25.3) Mpa;可靠性分析结果如图1、图2所示:

从图1和图2分析的结果中可以看到, 基于鞍点逼近理论对汽车前轴进行可靠性分析, 所得结构响应的概率密度曲线和累积分布函数曲线与用Monte-Carlo数值仿真模拟的结果基本一致。

4 结论

商用车焊接前轴的轻量化篇6

焊接前轴在我国的发展现状及发展前景

焊接前轴应用于汽车车桥上不是全新或者说最早的事, 但以前它们在汽车前桥或者其他部位中的应用主要体现在小吨位、低速度、低品质的载货车辆上。

近年来焊接前轴在国内发展很快, 目前越来越多地应用在重型辅助承载转向桥上, 它利用空气悬架技术, 根据载荷不同举升、降下车桥, 能够有效地减少道路摩擦阻力, 节省燃油消耗。这种技术已在欧美发展运用了40多年, 技术成熟, 在节省油耗的同时能够增加载重量, 尤其适合物流车的使用。目前国内技术实力较强的重型载货汽车制造商均已开发出采用焊接前轴辅助承载桥的车型 (见图1) 。

此外, 工程车配置浮动桥可以提高路况适应能力, 特别是在复杂路况的山区, 配置辅助承载转向桥的工程车操纵稳定性好, 综合承载能力强, 很受用户的欢迎。

对于云梯消防车、汽车起重机、市政专用车等使用路况好、轮距大、载重吨位大的专用车辆, 从锻造工艺及经济性方面考虑, 焊接前轴性能更符合其使用要求。目前几家技术实力较强的工程机械公司已经在26t级以上的云梯消防车和汽车起重机上批量使用了7t级和10t级焊接前轴。

虽然目前焊接前轴并没有在国内批量使用, 但是国内各大车桥厂均在研究试验焊接前轴生产工艺, 东风德纳车桥、中联重科车桥等先进厂家在焊接前轴生产工艺试验方面均已取得较大的进展。由于焊接前轴的诸多优点, 可以预测未来十年内在汽车车桥的细分市场上会有长远的发展。

焊接前轴工艺技术简介

焊接前轴 (见图2) 的工艺流程主要分为成形工艺和切削加工工艺:

(1) 成形工艺排样下料→板材冲压成形→板材焊接→冷校正→喷丸调质处理。

(2) 切削加工工艺铣板簧面→钻十孔→铣瓜头端面→U钻主销孔→粗精镗主孔精车端面→钻铰锁销孔。

焊接前轴金属切削加工工艺与锻造前轴金属切削加工工艺基本类似, 技术难点主要是弯颈处的成形工艺。前轴受力特性不同于后桥壳, 前轴主销孔到板簧位落差大, 主销孔到板簧位之间的弯颈处截面受很大的弯矩和扭矩, 要求焊缝必须具有较高的冲击韧性和疲劳强度。该段需要合理设计内部加强结构, 设计合理的焊接工艺, 增大抗弯抗扭系数, 防止弯曲变形和断裂。

通过前期台架试验可以得出, 疲劳断裂主要发生在这一截面区域, 从断口形貌的分析结果可以断定, 其疲劳断口为脆性断裂和韧性断裂的混合型断裂, 属于高周疲劳断裂。通过金相组织分析发现, 焊接工艺不当造成焊缝处温度过高使晶粒长大, 产生微裂纹源;焊接材料中M o和C r等元素的富集造成微观偏析从而形成裂纹源, 降低了焊缝的抗疲劳性能。

因此前轴焊接成形宜采用C O2气体保护焊接工艺, 选用合金元素不易偏析的焊接材料, 避免焊缝周围部位产生偏析, 以降低断裂倾向调整焊接工艺参数, 避免产生焊缝过热, 控制焊缝处的初始裂纹, 提高疲劳寿命和冲击韧性 (见图3) 。

焊接前轴性能优点

1.质量轻, 精度高, 外观质量好

以5t级焊接前轴为例, 焊接前轴相比锻造前轴轻21kg左右, 前轴重量减轻6%, 提高了商用车燃油效率。

钢板切割焊接精度高, 前轴外观和尺寸精度要远远好于锻造前轴, 解决了目前复合辊锻模锻工艺前轴外观质量不高、锻造毛坯尺寸精度差的问题。

2.新产品开发成本低, 适合试制及小批量市场

锻造前轴新产品需要投入大量的模具费用, 不利于前轴产品的研发创新, 并且对于部分小批量产品, 高昂的模具成本提升价格让部分客户难以接受。焊接前轴不受模具和设备限制, 只需要改变钢板焊接切割形状及前轴内部加强结构, 新产品改型成本低, 能够适合新产品试制和小批量市场需要, 满足多层次客户需要。

3.具有特定化的细分市场

尽管焊接前轴有以上两大优点, 但目前由于国内焊接工艺水平整体较为落后, 焊接设备精度不高等原因, 造成焊接前轴抗冲击性较差、疲劳寿命较短等缺点。短期内工艺改进提升有限, 不能取代使用工况复杂的锻造前轴, 主要还是应用于辅助承载桥及挂车转向承载桥。

但在特定的细分市场上, 焊接前轴有很大的发展潜力, 比如可使用在路况较好、采用空气悬架的大型低地板公交车上。该种类前轴要求载荷大、自重轻、轮距宽、落差大, 国内锻造设备很难成形。空气悬架能够大大减少前轴受到的冲击载荷, 对前轴的冲击韧性要求降低, 使得焊接前轴能够达到使用要求。

焊接前轴工艺优点

公司现有的锻钢汽车前轴采用了自主发明创造的“前轴辊锻模锻复合工艺”技术, 该复合工艺融合了辊锻与模锻两种工艺的优点, 具有可柔性化生产、换产节拍快、产品内在质量好、性能稳定、投资省、见效快、转产换型容易等特点 (见图4) 。但是该工艺也存在产品外观不精致、局部毛坯尺寸精度不高、轻量化困难的缺点。