某车型驱动轴护套断裂可靠性提升*

刘利宝 李红敏 乔辉 王建 胡念明 王强 田亚军 姚晓东 钮微龙 刘南 许超楠 张秀明

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心；2.国机智骏科技有限公司）

经对汽车售后市场统计后发现，驱动轴的所有故障中80%以上是因其护套漏油导致。驱动轴作为整车传动系统的重要零部件，若发生断裂漏油会严重影响其在发动机与轮胎之间的动力传递。某车型上市10 个月后，售后市场反馈驱动轴护套小端出现批量断裂问题，造成车辆底盘漏油或异响，导致客户抱怨，此问题严重影响了整车品质。文章通过有限元分析集中应力，探索了一种护套生产工艺的改进方法，解决了护套批量断裂的问题，且经可靠性试验验证，达到了预期效果。

1 可靠性数据解析

1.1 车辆使用环境分析

某车型驱动轴发生断裂，进而导致漏油和异响，故障现象，如图1所示。依据售后统计信息可知，该问题发生在寒冷的东北、西北地区（局地极限低温可达-40 ℃），具备明显的地域集中性。车辆生产时间集中在2017年末和2018年初，具有明显的寒冷季节（经历冬季）集中性。失效里程集中在1 万km 以下，均为短里程、早期失效。

图1 某车型驱动轴护套断裂

1.2 威布尔模型建立

1.2.1 威布尔参数估算方法

可靠性工程中的二参数威布尔分布公式[1]，如式（1）所示。

将其代入式（1），可得双对数坐标下的威布尔概率图，此为一条直线[2]，如式（2）所示。

式中：F（t）——失效率的累积分布函数；

b——形状参数（b＜1 对应早期失效，b=1 对应偶然失效，b＞1 对应耗损失效）；

T——尺度参数，为威布尔函数的特征寿命。

威布尔参数估算方法[1]：

1）将分析对象数据（i=1，2，3，…，n）由小到大按顺序排列；

2）计算累积分布函数F（ti）；

3）在威布尔概率纸上点数据点（（t1，F（t1）），（t2，F（t2）），（t3，F（t3）），…，（tn，F（tn））；

4）绘制分布直线；

5）得到形状参数（b）和尺度参数（T）。

1.2.2 威布尔模型应用

选择某车型在2017年5月—2018年10月期间销售的车辆进行可靠度计算，即护套的样本容量总计169 664 个，其中143 个为失效样本，以二参数威布尔分布代入可靠性计算工具Minitab，得到右删失状态下的B0.5（置信区间为95%的威布尔分布的中位寿命）里程[3]，如图2所示。从图2 可知，b为 1.810 44＞1，这是单调增长的失效率，其随时间增长而增长，这便是老化、疲劳或者磨损损坏[2]。失效里程B0.5 为30 252 km，不满足C 类故障9年12 万km 的要求。

图2 右删失状态下的B0.5 里程显示界面

1.3 真因分析

1.3.1 尺寸及原材料检验

经测量，故障件护套小端壁厚尺寸为1.38 mm，如图3所示，图纸要求其小端壁厚的尺寸应大于1.2 mm，如图4所示，因此判定尺寸合格。

图3 驱动轴护套故障件剖切断面

图4 驱动轴护套小端壁厚图纸

1.3.2 原材料检测

对故障件原材料进行检测，检验报告如表1所示，失效件材质检测基本合格，即其主体材质与正常件相同，体积质量与正常件相近，熔点在正常范围（要求低于280 ℃）内。其无明显玻璃化，组成中灰分含量极少且断口形貌未发现老化现象，判断护套为疲劳失效。

表1 驱动轴护套原材料检验报告

1.3.3 应力分析

针对材质相同、小端厚度不同的护套，在相同温度（23 ℃）和相同摆角（45°）下进行有限元分析，得知护套小端存在应力集中，且锐角模型的应力（6.62 MPa）相对钝角模型的应力（5.1 MPa）增大30%，如图5所示。

图5 驱动轴护套模型应力云图显示界面

针对材质相同、小端厚度相同（锐角模型）的护套，在相同摆角（45°）下，在 -40 ℃时的应力（113 MPa）比在常温23 ℃时的应力（23 MPa）增大391%以上，如图6和图7所示。

图6 驱动轴护套锐角模型应力值曲线

图7 驱动轴护套锐角模型应力云图显示界面

1.3.4 成型工艺分析

护套生产工艺主要包括：胶料熔融、注塑、吹塑、裁剪成型。其中在注塑（如图8所示）过程中存在如下问题，即当注塑压力在护套小端成型位置较小（小于0.3 MPa）时，会致使护套管坯在局部变薄，继而吹塑时出现锐角[4]；注塑压力大于0.3 MPa 时，料厚增多，成型位置圆滑。

图8 驱动轴护套注塑示意图

由以上分析可知，护套断裂失效原因为在过低温度环境下，材料力学性能下降，应力增加；同时此位置因自然成型为过渡不圆滑的锐角，导致应力增加，进而造成早期疲劳失效。

2 故障再现

2.1 试验条件确定及样本选取

为验证该可靠性试验的可行性，需首先保证故障可再现，然后才能在试验条件下进行可靠性提升试验。为此依据该整车的实测载荷，确定台架试验条件为：环境温度为（-40±3）℃（停放 8 h）；摆动角度为 25～44°；摆动频率为0.5 Hz；转速为20 r/min。

因故障件护套小端壁厚为1.38 mm，通过控制使注塑压力小于0.3 MPa，并实测后挑选护套小端位置厚度为1.36 mm 的样件（接近故障件），模拟再现试验。

2.2 试验方法确定

分别选取5 个样件，进行编号，对护套开展加速试验直至出现开裂失效，再现试验结果，如表2所示。通过对5 个样件进行台架耐久试验，护套小端出现破裂及油脂泄露现象，与故障件失效位置相同，失效时间在30 h 左右。

表2 驱动轴护套小端断裂再现试验结果 h

2.3 试验速度计算

将表2 中的试验结果代入Minitab 软件进行威布尔运算，得出其每小时里程数，如图9所示。即改进前产品B0.5 失效里程为30 252 km，试验失效循环为28.4 h；试验每循环对应里程为30 252/28.4=1 065 km/h。

图9 驱动轴护套故障再现试验结果显示界面

3 可靠性提升

3.1 分析标杆

从产品设计角度对驱动轴护套小端结构进行对标分析，如表3所示，厂家1 和厂家2 的护套小端位置为平滑过渡。统计2 个厂家的售后数据，未发生护套小端断裂现象，而故障件存在不圆滑的锐角，故工艺过程为故障的主要影响因素。

表3 驱动轴护套小端结构对标

3.2 提升方案

在护套成型工艺分析中已知，当注塑压力大于0.3 MPa 时，护套小端圆滑。表4 示出不同注塑压力下对应的护套壁厚。为保证护套小端圆滑过渡以满足方案需求，根据试验结果初步确定其方案，即将注塑压力调整为大于0.35 MPa，从而保证护套小端位置壁厚不小于2.1 mm。

表4 驱动轴护套注塑压力与壁厚的关系

3.3 提升试验

采用故障再现试验的试验条件，对护套小端进行平滑过渡，使厚度保持在2.21 mm。分别取5 个样件，进行编号，对护套开展加速试验直至出现失效，试验结果，如表5所示。通过对5 个样件进行台架耐久试验，护套在大卡箍处出现油脂泄露；夹箍及护套出现滑移，并未出现断裂现象，失效时间在120 h 左右。

表5 驱动轴护套小端改进后试验结果 h

3.4 提升结果

对改进后的产品寿命进行计算，试验失效循环为118 h（如图10所示），改进前的产品试验每循环对应里程为1 065 km/h，改进之后，产品B0.5 失效里程为1 065×118=125 670 km，可靠性明显提升，满足驱动轴护套耐久要求（12 万km）。

图10 驱动轴护套可靠性提升试验结果显示界面

4 结论

故障再现试验表明，当注塑压力小于0.3 MPa时，护套壁厚小于2.1 mm，32 h 即断裂失效，不满足整车寿命要求；可靠性提升试验表明，当注塑压力大于0.35 MPa 时，能保证护套壁厚大于2.1 mm，120 h 以上才失效，满足整车寿命要求。文章通过增大护套注塑压力，达到了护套可靠性提升的目的，为行业内护套生产指明了方向。