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发表于 2020-7-9 15:05:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 inshu 于 2020-7-9 15:10 编辑

摩擦焊技术在商用车挡泥板支架上的应用
习吕鹏 申强 李亚妮 贾锁杰
(陕西重型汽车有限公司,西安 710200)
摘要:针对商用车传统硫化橡胶结构挡泥板支架生产效率低,笨重的问题,提出将摩擦焊技术应用于商用车挡泥板支架。经过CAE 结构强度分析、振动疲劳寿命分析、台架振动试验以及零部件搭载路试试验,证明应用摩擦焊工艺生产的挡泥板支架具有生产效率高、结构强度好、质量轻等优点。

关键词:摩擦焊 挡泥板支架 轻量化
01 前言
挡泥板支架作为挡泥板系统的重要结构件,起着连接挡泥板和车架纵梁的重要作用。挡泥板支架底座固定在车架纵梁上,管子承载挡泥板总成,属于典型的悬臂梁结构。在车辆行驶过程中,挡泥板支架受到各种动态载荷作用,使挡泥板支架产生振动,反复的振动冲击就会引起挡泥板支架因振动疲劳而断裂。

目前,国内商用车挡泥板支架底座与管子连接主要有2 种工艺,一种是底座与管子通过普通熔焊焊接在一起,另一种是底座与管子之间通过硫化橡胶连接在一起,但在使用过程中,这2 种结构挡泥板支架均从管子与底座连接处断裂,失效率高。此外,为了提高挡泥板支架结构强度和刚度,往往增加了挡泥板支架的复杂程度,导致挡泥板支架笨重。因此,开发质量稳定、轻质的挡泥板支架是整车厂和零部件厂家的共同目标。

02传统结构挡泥板支架
2.1 焊接挡泥板支架的结构与失效形式

底座为板焊件结构,底座与管子通过普通熔焊焊接在一起。

这种焊接结构挡泥板支架其底座与管子连接处为应力集中区。由于管子与底座之间为硬连接,且普通熔焊焊缝强度低,在车辆行驶过程中,挡泥板支架受到外界的反复冲击力,在焊缝位置断裂,失效率高。焊接挡泥板支架结构图及失效形式如图1 所示。


   
图1 焊接挡泥板支架结构图及失效形式
2.2 硫化橡胶挡泥板支架的结构与失效形式

底座为铸件,管子为冷拔钢管,底座与管子之间通过硫化橡胶连接在一起,如图2 所示。连接过程工序多、工艺复杂,耗时约为15 min。挡泥板支架单根质量约7 kg。

底座与管子连接处为失效的主要位置,失效模式为管子与底座连接处松动、断裂。分析失效的主要原因为车辆在正常行驶过程中会遭遇阳光、暴晒、高温和潮湿等各种气候环境,导致硫化橡胶易老化,橡胶老化后,管子与底座连接处松动,在路面及整车系统的反复冲击作用下,导致挡泥板支架断裂。

   
图2 硫化橡胶挡泥板支架及失效形式
03摩擦焊挡泥板支架

3.1 摩擦焊工艺介绍

摩擦焊是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源,使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接的方法。作为一种优质、精密、高效、节能、环保的固相连接技术,摩擦焊技术在轻量化、耐疲劳、高稳定性及低成本的装备制造中具有独特优势。随着整车轻量化对轻质材料需求比例的增加,摩擦焊技术满足了轻质材料对新型连接技术的需求。将摩擦焊技术应用在挡泥板支架生产过程,旨在开发出一款轻质、质量稳定的挡泥板支架。

3.2 摩擦焊挡泥板支架结构

底座为锻件,管子为热轧钢管,材料均为Q345,底座与管子采用摩擦焊技术对接,结构形式及焊接接头剖面结构,如图3 所示。与硫化橡胶挡泥板支架相比,摩擦焊挡泥板支架生产过程工序简单、生产效率高、焊缝质量稳定。锻件底座与铸件底座相比,轻量化效果明显,单根挡泥板支架重约5.3 kg,与硫化结构相比,可实现单根降重1~2 kg,整车降重5~10 kg。

   
图3 摩擦焊挡泥板支架及焊接接头剖面
04 分析验证
4.1 CAE分析

挡泥板支架断裂失效的主要原因是各种动态载荷作用引起的振动疲劳。因此,对摩擦焊挡泥板支架进行CAE 计算分析,从静结构强度、振动疲劳寿命、模态频率3 方面验证其结构可靠性。

4.1.1 应力分析

按照实际装车状态,对挡泥板支架配重9.49 kg,配重相当于挡泥板、尾灯等附件实际质量。并对整件施加Z 向加速度15 g,X 向加速度7.2 g。计算结果如图4所示。

   
图4 应力分析结果
从分析结果可知,车架最大应力集中在安装支架螺栓孔周围,最大应力值为117 MPa,挡泥板支架最大应力值位于底座螺栓安装孔处,最大应力值为41 MPa。主要是因为挡泥板支架管子上下振动,致使底座安装孔处承受较大的交变载荷。但构件整体各处应力值均小于所用材料屈服强度,满足设计强度要求。

4.1.2 振动疲劳寿命分析

以静强度分析的最大受力状态为输入,并在挡泥板支架底座与纵梁的螺栓孔处施加激励载荷进行分析,计算挡泥板支架的振动疲劳寿命见图5。

   
图5 振动疲劳寿命分析
由计算结果可见,车架最小疲劳周次为9.32×1010次;支架最小疲劳周次为3.68×1018次。挡泥板支架及安装车架疲劳周次均大于1.0×106(100 万)次,可视为无限寿命。因此,该结构满足设计要求。

4.1.3 模态分析

模态分析用于确定构件的振动特性固有频率和振型。由于挡泥板支架低阶固有频率引起共振的可能性大。因此,只求出前两阶固有频率和振型。计算时约束车架尾端自由端6 个自由度,进行挡泥板支架的低阶模态分析,结果如图6 所示。

   
图6 低阶模态分析
挡泥板支架一阶固有频率为43.5 Hz,在此模态下支架做X向摆动;二阶固有频率为48.4 Hz,在此模态下支架做Z向摆动。

车辆行驶过程中,挡泥板支架受到的外部激振主要是路面对车轮作用的垂直随机激振以及发动机工作时的间谐激振。随机激振频率一般在20 Hz 左右[4],发动机的怠速频率为 27~33 Hz,正常工作频率为50~70 Hz。根据CAE 计算结果,挡泥板支架的低阶固有频率避开了道路的随机激振频率以及发动机的间谐激振。因此,在车辆正常行驶过程中,挡泥板支架不易与道路激振以及发动机的间谐振动发生共振,降低了挡泥板支架振动疲劳断裂的几率,说明该结构挡泥板支架满足刚度要求。

4.2 台架振动试验

为了确保有限元分析的准确性,对摩擦焊挡泥板支架进行台架振动试验,如图7 所示,进一步验证其可靠性。

4.2.1 振动试验方法及测试要求


按装车实际状态安装挡泥板支架,对挡泥板支架管子中心部位进行10 kg 配重。对挡泥板支架1#、2#样件进行振动试验。


a.试验设备及仪器

电磁振动试验台型号为ES-100-550,加速度传感器灵敏度9.99 mV∕g。

形象师很严肃地跟我说:不要过分关注自己的缺点,它不是问题,也不会影响整体的形象。你要多关注自己的优点,那才是让你变美的关键。

b.实验方法

在5 Hz~100 Hz之间,以0.5 g加速度和10 ct∕min 的扫频速率对支架进行至少10 min的高低频率往复扫频,寻找共振频率。根据相关研究,在挡泥板支架与车架大梁连接处布置加速度传感器,当车辆行驶在比利时路面时,测得加速度幅值较大且时间最长,加速度幅值为2.55 g。因此,选择在一阶共振频率处以3 g 的加速度对挡泥板支架进行Z向、X向各100万次振动。1#支架传感器安装在挡泥板支架焊接区,2#试样传感器安装在挡泥板支架管子端部,台架实验装置如图7所示。

c.实验要求

试验后支架不得出现松动、断裂等现象,振动过程配件损坏可更换后继续试验。

4.2.2 台架振动试验结果

挡泥板支架台架振动实验,共振频率扫描结果见图8。在5 Hz~100 Hz 高低频往复扫频时,挡泥板支架的一阶共振频率为44.3 Hz,二阶共振频率为47.7 Hz,扫频结果与CAE 计算分析结果一致,说明了结果的准确性。

在一阶共振频率处,以3 g 的加速度进行Z向、X向各100 万次振动后,试验挡泥板支架表面均无肉眼可见裂纹产生,焊缝位置无松动、断裂,进一步验证了该结构的可靠性。

   
图7 台架振动实验装置
   
图8 共振频率扫频结果
4.3 零部件搭载路试试验

对摩擦焊挡泥板支架在整车上进行搭载耐久道路试验,搭载安装效果见图9。在行驶10 000 km过程中,每200 km 对挡泥板支架各部位进行可靠性检查,若出现目视可见的裂纹,记录行驶里程、裂纹出现的位置并结束试验。结果表明,在整个路试实验过程中,挡泥板支架各部位没有出现目视可见的裂纹。

   
图9 摩擦焊挡泥板支架整车搭载效果
05 结论

a.将摩擦焊工艺应用于挡泥板支架生产过程,简化了生产工序,提高了生产效率;

b.经静态结构强度分析、疲劳计算分析、台架振动试验及整车疲劳路试试验证实,摩擦焊工艺生产的挡泥板支架质量稳定、可靠;

c.摩擦焊挡泥板与原硫化橡胶挡泥板支架相比,单根实现降重1.5~2 kg,整车实现降重5~10 kg。

参考文献:

[1]杨志刚,李凯敏,邓超,刘顶平.重型汽车尾灯支架振动疲劳分析与优化[J].汽车实用技术.2015(8):47-48.

[2]Kevin J G.Friction welding takes on new application [J].Weld.J.1997,76(9):39-40.

[3]Spindler.D.E.What industry needs to know about friction welding[J].Weld,J,1994,73(3):37-42.

[4]张光磊,张光金,姜伟健,邵常孟,崔传伟.重型汽车尾灯支架振动疲劳寿命的有限元优化及试验验证[J].汽车实用技术.2017,5(5):91-94.



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