蔡其剛，畢世勛，胡鵬，何炎周

寧波吉利汽車(chē)研究開(kāi)發(fā)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

隨著汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展更新，懸架技術(shù)也從傳統(tǒng)的被動(dòng)式懸架走向更加智能化的主動(dòng)式懸架，這期間空氣彈簧的成功開(kāi)發(fā)，有效地解決了舒適性要求懸架剛度低、操控性要求懸架剛度高的矛盾。

空氣彈簧是在一個(gè)密封的容器中充入壓縮空氣，利用氣體可壓縮性實(shí)現(xiàn)其彈性作用。其最大的特點(diǎn)是自身固有頻率低，同時(shí)具有優(yōu)良的非線(xiàn)性靜、動(dòng)態(tài)剛度特性，不但能夠有效地隔離低頻振動(dòng)，而且承載范圍大。加裝高度調(diào)節(jié)裝置后，車(chē)身高度不隨載荷增減而變化，彈簧剛度可設(shè)計(jì)得較低，乘坐舒適性好。常見(jiàn)的空氣彈簧有兩種，一種是囊式，常用在商用車(chē)上；一種是膜式，常用在豪華轎車(chē)上。本文主要以膜式空氣彈簧作為研究對(duì)象。

空氣彈簧的工作原理為：空氣彈簧是在密閉的壓力缸內(nèi)充入氣體或者油氣混合物，使腔體內(nèi)的壓力高于大氣壓的幾倍或者幾十倍，利用活塞的橫截面積小于囊皮支撐環(huán)的橫截面積產(chǎn)生的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞的運(yùn)動(dòng)。由于原理上的根本差異，使得空氣彈簧相對(duì)普通彈簧而言，有著明顯的優(yōu)勢(shì)：速度相對(duì)緩慢、動(dòng)態(tài)力變化不大(一般在1∶1.2以?xún)?nèi))、容易控制，乘坐舒適性更好，可以根據(jù)不同路況實(shí)現(xiàn)車(chē)身高度的可調(diào)節(jié)；缺點(diǎn)是相對(duì)體積沒(méi)有螺旋彈簧小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、壽命相對(duì)短。

1 問(wèn)題來(lái)源

針對(duì)公司某即將投產(chǎn)的中大型SUV的前后主動(dòng)懸架系統(tǒng)，整車(chē)耐久路試過(guò)程中(試驗(yàn)里程9 759 km)發(fā)現(xiàn)左后懸車(chē)身姿態(tài)明顯偏低，輪眉高度異常，如圖1所示。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致左后輪眉高度異常的主要原因?yàn)樽蠛罂諝鈴椈陕狻?/p>

圖1 左后懸輪眉高度異常

2 原因分析

2.1 空氣彈簧常見(jiàn)的失效形式

空氣彈簧在整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，變形大，在多向載荷工況下處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，空氣彈簧的主要失效模式有三類(lèi)：一是囊皮橡膠的老化，空氣彈簧在日積月累的冷熱交替環(huán)境下工作，囊皮會(huì)慢慢失去彈性，同時(shí)加上整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中交變載荷的反復(fù)作用，容易產(chǎn)生龜裂及疲勞破損。二是氣密性問(wèn)題，包括囊皮與上、下安裝座的連接密封處，氣門(mén)嘴處及活塞總成的整個(gè)對(duì)焊圓周區(qū)域等都是薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生密封失效問(wèn)題。但針對(duì)橡膠材料的問(wèn)題，因現(xiàn)在的設(shè)計(jì)大多數(shù)都采用防護(hù)罩作為外部防護(hù)，可以顯著提升橡膠囊皮的使用壽命，故囊皮本身失效比較少見(jiàn)。三是電子氣泵、氣路分配閥，這兩個(gè)零件的薄弱環(huán)節(jié)都是電磁閥，電磁閥物理失效如回位彈簧剛度衰減、斷裂等，電氣失效如接線(xiàn)不良等都會(huì)引起故障。外顯的形式指的是氣密性問(wèn)題，即漏氣。其他子零件如壓縮機(jī)、高度傳感器、儲(chǔ)氣罐等相對(duì)故障率較低。

關(guān)于第一種失效模式，即橡膠囊皮的老化破損，因其機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單，此處不作詳細(xì)描述。

第二種失效模式是活塞總成的注塑及(或)焊接工藝不良導(dǎo)致的焊縫開(kāi)裂。例如注塑時(shí)間短，注塑量不足、翹曲、部分收縮和模穴的差異。注塑時(shí)間短及注塑量不足時(shí)，塑料未能完全填充模腔，在這種情況下存在焊接表面不完整的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致焊接強(qiáng)度降低、密封性不足。注塑時(shí)間短還可能導(dǎo)致材料中含有空隙，空隙處容易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致產(chǎn)品失效。零件翹曲和收縮會(huì)直接影響產(chǎn)品焊縫尺寸和形狀，如果翹曲較小，可以通過(guò)壓緊產(chǎn)品，使得上下零件的焊縫處充分相互接觸，有助于使焊接表面正?；?但是如果翹曲太大，則需要熔化更多的材料以達(dá)到整圈焊縫全部熔化,這將導(dǎo)致零件上各段焊縫的焊接強(qiáng)度差異以及外觀問(wèn)題。不同模穴的差異和磨損，如果焊接結(jié)果不穩(wěn)定，僅發(fā)生在一個(gè)模具中生產(chǎn)的零件上，那么可能模具已經(jīng)磨損;外形尺寸約80 mm×80 mm的零件，不同模穴生產(chǎn)的零件尺寸差異也可能會(huì)在0.2 mm左右。

第三種失效是焊接夾具問(wèn)題及支撐和定位，檢查下夾具對(duì)零件是否存在無(wú)支撐或者支撐不良部分，并確保上下夾具的相對(duì)水平和對(duì)中。支撐和定位對(duì)于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度焊接和精確裝配至關(guān)重要，不均勻的焊接強(qiáng)度、虛焊、泄漏，通常是由于焊縫以下的支撐不足導(dǎo)致。因此，不管是超聲波、熱板、振動(dòng)、紅外、熱氣和激光塑料焊接工藝，都需要反復(fù)確認(rèn)所有焊縫下方都有強(qiáng)支撐。有時(shí)因?yàn)榱慵卣?，焊筋下方需要留有間隙，該間隙尺寸應(yīng)小于3 mm,間隙較大時(shí)需要試驗(yàn)驗(yàn)證,且該間隙不應(yīng)對(duì)焊縫產(chǎn)生重大影響。

2.2 漏氣源的排查

圖2為某中大型SUV后懸架空氣彈簧剖視圖。采用車(chē)載ECU對(duì)左后空氣彈簧充氣，靜置約15 min后，車(chē)高又重新下降至圖1所示的異常狀態(tài)。隨后，在車(chē)輛靜置狀態(tài)(四輪接地)下進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)左側(cè)緩沖塊局部分離破壞，右側(cè)狀態(tài)正常，如圖3和圖4所示。

圖2 空氣彈簧剖視圖

圖3 左后減振器緩沖塊破壞

圖4 右后減振器緩沖塊完好

緊接著將車(chē)輛舉升起來(lái)(四輪懸空)，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，左后空氣彈簧內(nèi)空氣壓力僅剩余0.1 MPa，而右后空氣彈簧內(nèi)空氣壓力為1.2 MPa，由此可見(jiàn)左側(cè)空氣彈簧未能維持正常內(nèi)壓是導(dǎo)致左后懸輪眉高度異常的直接原因。

為了查明漏氣源，再次向左后空氣彈簧內(nèi)加入壓力為0.4 MPa的壓縮空氣 ，此時(shí)可以清晰地聽(tīng)到漏氣聲。事實(shí)上，空氣彈簧漏氣具有很高的隱蔽性，為了準(zhǔn)確地找到失效部位，對(duì)左后空氣彈簧的上、下端防塵罩進(jìn)行了拆除，并使用肥皂水對(duì)整個(gè)空氣彈簧的柱體及其上下端部進(jìn)行噴淋，發(fā)現(xiàn)活塞上部有氣泡持續(xù)產(chǎn)生，最終鎖定漏氣位置為左后空氣彈簧的活塞上部，如圖5所示。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，僅靠近月牙形定位銷(xiāo)側(cè)的半圓范圍內(nèi)的焊縫出現(xiàn)漏氣，剩余半圓范圍內(nèi)無(wú)漏氣現(xiàn)象。左后空氣彈簧漏氣區(qū)域如圖6所示。

圖5 左后空氣彈簧上端氣泡

圖6 左后空氣彈簧漏氣區(qū)域

2.3 漏氣原因推測(cè)

漏氣原因可能是以下兩種情況：

(1)左后減振器緩沖塊結(jié)構(gòu)破壞，在垂向載荷往復(fù)作用下，緩沖塊剛度嚴(yán)重下降，進(jìn)而使得輪心實(shí)際上跳行程超出設(shè)定值，結(jié)果左后空氣彈簧活塞與底部發(fā)生碰撞干涉進(jìn)而導(dǎo)致活塞破壞失效，最后導(dǎo)致了左后空氣彈簧的漏氣。

(2)左后空氣彈簧活塞存在注塑及(或)焊接等工藝缺陷，在交變載荷作用下，內(nèi)部高壓氣體致使活塞破壞，進(jìn)而導(dǎo)致左后空氣彈簧漏氣。

基于上述推測(cè)，對(duì)如下零件進(jìn)行了逐一排查：

(1)左后懸架系統(tǒng)彈性元件：無(wú)破損(左后緩沖塊除外)；

(2)空氣懸架系統(tǒng)高度傳感器：無(wú)損壞；

(3)副車(chē)架支架(空氣彈簧上端支撐面)相對(duì)高度：左右側(cè)無(wú)明顯差異；

(4)最后將左后空氣彈簧從車(chē)上拆卸下來(lái)，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，與左后空氣彈簧上端配合的副車(chē)架支架安裝面平面度差，尤其是靠近空氣彈簧上端月牙孔一側(cè)的支撐平面有明顯的凹凸不平，如圖7所示。

圖7 左后空氣彈簧上端支撐平面

至此，發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)可能的影響因子，即副車(chē)架支架平面度。為了驗(yàn)證這個(gè)猜測(cè)，將左后空氣彈簧上端的橡膠軟墊加上，同時(shí)，將右側(cè)空氣彈簧上橡膠膠墊移除，并繼續(xù)搭載路試驗(yàn)證。右后懸車(chē)身姿態(tài)出現(xiàn)異常下降問(wèn)題，隨后給右側(cè)空氣彈簧充氣并使其恢復(fù)正常姿態(tài)，然后重新進(jìn)行車(chē)高標(biāo)定并繼續(xù)開(kāi)展整車(chē)耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行約1 h后，右后懸車(chē)身姿態(tài)再次異常下降。

接下來(lái)采用了與左側(cè)相同的排查過(guò)程，先拆除了右后空氣彈簧的上下端防塵罩，然后向右后空氣彈簧加入0.4 MPa壓縮空氣 ，并使用肥皂水對(duì)整個(gè)空氣彈簧的柱體及其上下端部進(jìn)行噴淋，發(fā)現(xiàn)同樣是靠近月牙形定位銷(xiāo)附近區(qū)域的焊縫出現(xiàn)了大量持續(xù)性的氣泡，如圖8所示。

圖8 右后空氣彈簧上端氣泡

緊接著將該漏氣右后空氣彈簧拆除后，檢查副車(chē)架右側(cè)支架，同樣發(fā)現(xiàn)其靠近空氣彈簧上端月牙孔一側(cè)的支撐平面有明顯的凹凸不平，如圖9所示。而此時(shí)并未發(fā)現(xiàn)右側(cè)后緩沖塊結(jié)構(gòu)有明顯破損，由此可以反推，并非是左側(cè)緩沖塊先開(kāi)裂導(dǎo)致空氣彈簧漏氣。為了準(zhǔn)確得到副車(chē)架支架的平面度參數(shù)，對(duì)該副車(chē)架支架的平面度進(jìn)行三坐標(biāo)打點(diǎn)測(cè)量，結(jié)果顯示左側(cè)支架平面度2.7，右側(cè)平面度2.5。由此可初步確認(rèn)副車(chē)架支架平面度是導(dǎo)致空氣彈簧漏氣的一個(gè)重要影響因子。

圖9 右后空氣彈簧上端支撐平面

下面再分析上述提到的第二種可能性，即左后空氣彈簧活塞存在注塑及(或)焊接等工藝缺陷。空氣彈簧活塞采用相對(duì)成熟的兩段式塑料(PA6+GF50)對(duì)焊工藝， 首先，從有限元分析可以看出，腔內(nèi)高壓氣體將推動(dòng)活塞向副車(chē)架支架面方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)需要支架面的支撐來(lái)提供反作用力，否則懸架上跳過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)高壓力將反復(fù)拉扯沒(méi)有支撐區(qū)域的焊縫(圖10)，最終導(dǎo)致活塞的該焊縫區(qū)域疲勞開(kāi)裂。

圖10 空氣彈簧與副車(chē)架支架貼合區(qū)域與非貼合區(qū)域受力剖切圖

隨后，對(duì)故障件的焊接失效區(qū)域進(jìn)行剖切分析，分析結(jié)果顯示，融合深度均不小于0.6 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí)，對(duì)同批次樣件的注塑工藝參數(shù)、焊接工藝參數(shù)及總成爆破壓力等進(jìn)行排查，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常(其中爆破力測(cè)試結(jié)果大于2.3 MPa，滿(mǎn)足1.8倍安全系數(shù)要求)。

3 臺(tái)架驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)與故障重現(xiàn)

結(jié)合路試結(jié)果及副車(chē)架支架的沖壓工藝水平，對(duì)平面度大于1及平面度小于1的兩組樣件分別進(jìn)行測(cè)試。

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)條件的確認(rèn)

空氣彈簧的耐久試驗(yàn)條件不能簡(jiǎn)單地等同于螺旋彈簧或者鋼板彈簧的驗(yàn)證。同時(shí)需要搭載空氣彈簧控制單元(ECU)、空氣壓縮機(jī)及空氣管路等，空氣彈簧三級(jí)疲勞試驗(yàn)譜見(jiàn)表1。加載頻率為0.5～1.0 Hz，一套樣件的試驗(yàn)周期約15 d。

表1 空氣彈簧三級(jí)疲勞試驗(yàn)譜

綜合考慮試驗(yàn)費(fèi)用及試驗(yàn)周期，進(jìn)一步將B、C兩組塊譜等效至A組塊譜之中(即將行程為80%及行程為57%的兩組塊譜全部等效至行程為100%的塊譜之中)，等效后的總循環(huán)次數(shù)為225 596次(總損傷為1.67×10)，一套樣件的驗(yàn)證周期縮短至3 d。循環(huán)次數(shù)與等效損傷見(jiàn)表2。

表2 循環(huán)次數(shù)與等效損傷

先驗(yàn)證副車(chē)架支架平面度大于1 mm的樣件,左側(cè)平面度2.91(圖11),右側(cè)平面度2.70(圖12)，作動(dòng)缸從輪心處加載。如圖13所示，臺(tái)架搭建完成后，分別向左右空氣彈簧內(nèi)充入1.15 MPa壓縮空氣，試驗(yàn)時(shí)，右側(cè)空氣彈簧上端不帶橡膠軟墊，試驗(yàn)運(yùn)行1 460個(gè)循環(huán)后即發(fā)生泄漏， 左側(cè)空氣彈簧上端帶橡膠軟墊，整個(gè)試驗(yàn)(225 596次)結(jié)束后未見(jiàn)漏氣，僅橡膠軟墊有輕微損傷，且空氣彈簧內(nèi)氣壓僅降低了0.06 MPa。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)右側(cè)漏氣件進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)漏氣部位與整車(chē)耐久試驗(yàn)位置一致，均出現(xiàn)在空氣彈簧上端內(nèi)側(cè)(車(chē)輛內(nèi)側(cè))。

圖11 副車(chē)架支架(左側(cè))平面度2.91示意

圖12 副車(chē)架支架(右側(cè))平面度2.70示意

圖13 作動(dòng)缸輪心加載示意

再使用空氣彈簧支架平面度小于1 mm樣件，即左側(cè)平面度0.73(圖14)，右側(cè)平面度0.63(圖15)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)左右側(cè)均帶橡膠軟墊，全部試驗(yàn)225 596次后未見(jiàn)漏氣。

圖14 副車(chē)架支架(左側(cè))平面度0.73示意

圖15 副車(chē)架支架(右側(cè))平面度0.63示意

3.2 方案小結(jié)

(1)在副車(chē)架支架平面度大于1的情況下，空氣彈簧帶橡膠軟墊的疲勞耐久性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于不帶橡膠軟墊的。

(2)副車(chē)架支架平面度大于1樣件匹配不帶橡膠軟墊的空氣彈簧，完全復(fù)現(xiàn)了空氣彈簧漏氣的故障模式。

(3)在副車(chē)架支架平面度小于1，同時(shí)左右空氣彈簧帶橡膠軟墊的情況下，空氣彈簧的疲勞耐久性能得到了顯著提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

通常情況下，空氣彈簧的主要漏氣點(diǎn)為氣門(mén)嘴、氣囊、分體式活塞的焊接區(qū)域等。文中以剛體(活塞)與彈性體(囊皮)的組合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，綜合分析了空氣彈簧匹配件平面度及路面隨機(jī)載荷譜的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)共同作用下，氣體(壓縮空氣)反復(fù)作用于活塞焊縫處的疲勞失效。驗(yàn)證了匹配件不同平面度及橡膠軟墊對(duì)空氣彈簧疲勞耐久的影響。結(jié)果表明：當(dāng)匹配件的平面度小于1時(shí)，能夠顯著提升空氣彈簧的疲勞特性；當(dāng)匹配件的平面度大于1時(shí)，可以通過(guò)增加橡膠軟墊的方式來(lái)提升空氣彈簧的疲勞特性。