2021.13科学技术创新底盘前轴总成开发介绍与常见问题分析
施鸿炜1，
2
（1、东南（福建）汽车工业有限公司，福建闽侯3501122、福州大学，
福建福州350108）1前轴总成介绍
前轴总成（AXLE ASSY FRONT ）属于汽车动力系统中传动
与制动系统部件。由于汽车使用工况多变导致前桥的受力情况比较复杂，除承受垂直载荷外，还承受纵向力、侧向力及其力矩。一端连接汽车避震，一端通过驱动轴与离合器连接，一端连接汽车轮胎，是汽车中非常重要的零部件之一，属重保件，有任何不良将导致车毁人亡的严重后果。
1.1前轴总成分件构成介绍
前轴总成由其重要分件：制动器（又名刹车夹）、轴承、HUB
（又名轮毂）、羊角（又名转向节）
、刹车盘构成；其中还包含一些非重要分件如：档泥板、油封、
组立螺栓、油管等。1.2前轴总成工作原理
通过发动机将扭力、转速输出给驱动轴，再传递给前轴总成，传递给轮胎，达到扭力输出，汽车行驶。当驾驶人员踩刹车时，刹车油路中供油，推动制动器中油压缸，制动器夹住刹车盘，轮胎随同被夹住，从而达到汽车刹车功能。
1.3前轴总成的对手件们
驱动轴：连接离合器变速箱进行动力输入；轮胎：扭力输出，转化为汽车行驶；转向机：控制车辆转向方向，增大方向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向；
避震器与稳定杆：麦弗逊独立底盘悬架特之一，在车辆过坎与急转弯时作用，使底盘更好操控性和乘车舒适性。
图1与图2为前轴总成在汽车底盘中的布置状况与自身
的组成成分，前轴总成作为汽车底盘重要组成部分，
承担承重、支承、转向的功能，属于汽车上重保零部件。前轴总成除了承受
汽车的重量外，还承受地面和车架之间的垂直载荷、
制动力、侧向力以及侧向力所引起的弯矩等，所以其开发过程的项目管控
与品质管控尤为重要。
2前轴总成开发与项目管控重点
本次车型之前轴总成开发流程，
包括前轴总成设计、分件设计及制造、单品试验确认、整车试验确认、
生产线安装调试使用及总成PPAP 确认等主要步骤。
2.1项目管控重点-前轴总成设计
前轴总成设计通常从整车载重、
使用工况、耐久寿命方面着手研究计算，对羊角、制动器等进行强度设计与CAE 分析，对轴承进行疲劳强度计算，以得到为满足车型所需的强度要求。
2.1.1设计材料的选定
转向节承受汽车全部的载荷，
支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，
它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。
根据设计构想书需求：根据车身重、最大速度，通过CAE 计
算分析，转向节需用优于抗拉强度400MPa 的材料。
载荷公式：G=mg ，车重M=1.6t ，m ≈1/4M=0.4t 。实测极限状态下转向节承受小于6G 的力（考虑安全系数，设计时转向节受力取8G ）。再根据转向节最小截面积，就可计算其所受应力，故得出对应的材料强度为400MPa 。
考虑到安全裕度，
本次转向节选择FCD500K，抗拉强度可达500MPa ，球磨铸铁，有很强的机械性能，大于设计裕度。
刹车盘是制动系统中一个很重要的部件，
除了承受整车的刹车力，还要求制动稳定、没有噪声、
不抖动、耐高温、散热性能佳；而且硬度不能比刹车片低，因为刹车盘与刹车片相互摩擦
时，要尽量靠磨损硬度相对低的刹车片来制动。综上，
刹车盘需选用铸造性能强，但塑性和韧性低的灰口铸铁。
因其良好的减震性、导热性、流动性、降低异音及不易开裂等特性适合刹车盘的材料。本次车型选用东南及三菱所有车型共用的材料FC250D
摘要：当前社会，在人们追求舒适生活的同时，外观亮丽、有个性成为汽车选择重点。但也应该注意到汽车的质量，
尤其是汽车的主体框架———底盘，良好的汽车性能往往与底盘有关。底盘系统包括传动、行驶、转向和制动四个模块。
本文介绍与四个模块都息息相关的重保零部件———前轴总成的设计与开发相关知识。通过对底盘的前轴总成开发，介绍了前轴总成组成架构、各重
保零件的工作原理与零件特性、开发流程、试验验证、
问题解决等方面知识与经验。提出良好的管控措施，为汽车工业的发展贡献力量。
关键词：底盘系统；前轴总成；转向节；刹车盘；轴承；制动器；
开发中图分类号：TH133.33文献标识码：A 文章编号：2096-4390(2021)
13-0017-03图2前轴总成与对手件
图1前轴总
成
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（灰口铸铁250）。机械性能要求：抗拉强度>=206MPa ，硬度要求
在：187~241HBS 之间。
2.1.2设计工艺选定
根据使用情况，加工工艺分为需铸造成型：
羊角、刹车盘、制动器本体；锻造成型：HUB 、轴承内外圈；高温烧结：
刹车蹄片；冲压成型：挡泥板、油封等；高精密机加：
轴承内沟道、转向节机加工等。
2.1.3模具设计
铸造模具需进行模流分析，因液态的铁水在模具中流动、固化、冷却成型，需分析避免因热胀冷缩不均等导致铁水缩口、
沙眼等铸造缺陷。
图3转向节铸造模
图4铸造模模流分析
铸造模具（如图2为转向节铸造模）是指为了获得零件的结
构形状，预先用其它容易成型的材料做成零件的结构形状，然后再在砂芯中放入模具，于是砂芯中就形成了一个和零件结构
尺寸一样的空腔，再在该空腔中浇注流动性液体，
该液体冷却凝固之后就能形成和模具形状结构完全一样的零件了。
采用浇铸的方式制作。铸件成形要经历铁水的液态收缩和
凝固收缩阶段。在铸件成形过程中，
合金的液态收缩和凝固收缩会使铸件产生缩孔和疏松缺陷，
尤其是对于尺寸大且不规则的转向节，往往因为浇注时补缩不良而导致缩孔、
疏松，导致铸件质量差。鉴于此，防止铸造缺陷，有必要在模具设计时进行模
流分析（如图3为转向节铸造模模流分析）
。利用计算机模拟分析，铁水经浇口、冒口、流道的流速，
再分析冷铁与浇注系统、冒口系统中温度变化情况，合理控制铸件的凝固顺序，
消除缩孔和缩松等铸造缺陷，以获得合格的铸件。
2.2项目管控重点-性能试验2.2.1单品性能试验
铸造件试验包含化学性能与物理性能检测：（1）化学成分分
析（激光烧蚀分光仪检测，在线全检，在线微调化学成分）；（2）机械性能检测（硬度、抗拉强度）；金相（基体组织、石墨形态）；x 光
探伤；超声波测球化率。
铸造件羊角（转向节）试验技术要求主要根据规范为
ES-X51006（球墨铸铁试验规范）
。（1）取样检测位置：一般羊角（转向节）
单品性能的取样点需覆盖所有应力点。在每个折弯处都需有取样。取样采机械切割破坏方式，后经打磨、箱埋后制成样件块。
（2）化学成分检测：检测C 、Si 、Mn 、P 、S 、Mg 、Ni 七大元素的含量。
（3）机械性能检测规格如下：检测硬度（HB170~240）、抗拉
强度（大于500N/mm 2）、屈服强度（大于350N/mm 2
）、延伸率（需大于7%）；以判定铸造件的物理性能。
（4）基体组织及球化率检测：通过金相分析，
明确基体组织、石墨尺寸、球化率；以判定铸造石墨铸铁基体变化情况。
按照SPEC 要求：基体组织需控制为铸造珠光体+50%↓
（↓代表含量控制在数值范围以下）
铁素体+5%↓碳素体；石墨尺寸为小于60μm ↓；球化率需达80%以上。
（5）X 光探伤检测：相交磁粉探伤，可探测内部是否有缺陷；且如内部有裂纹，目视效果更佳。
2.2.2前轴总成整车试验
前轴总成组立完成后，进行总成整车装备前试验，
包括尺寸确认，性能确认，零件可靠性确认，
各种不良情况下零件确认等等。主要包括：（1）总成圆端面跳动检测；（2）启动扭转力矩检测；
（3）挡泥板与刹车盘间隙量；（4）制动器气密性检测；（5）轴承轴
向游隙检测；（6）涂装件耐蚀性。
整车整备完成后，确认短路程的装配性、功能使用性及可靠
性。进行n 〉3台份的整车装备后试验，包括：3万公里恶路耐久
（路力相当正常行驶20万公里）；1万公里驱动耐久；wash out 冲击试验。
在完成首次整车验证后，如没有设计方面重大问题，
则可以进行生产线规划，进行设计、工装治具制造、
安装调试、确认批量生产节拍、不良率，最后进行总成零件PPAP 审核。PPAP 是对生产件的控制程序，也是对质量的一种管理方法。完成PPAP 审核，就具备了量产供货资格了。
3前轴总成开发常见问题分析在车型开发结束后，对车型进行经验及问题点的总结，同时
将车型开发遇到的问题点剖析彻底，
并最终在组内及系统团队中转训，确保团队成员能吸取经验及教训。避免后续车型开发中重蹈覆辙，对知识何经验的传承有重要意义。
3.1问题类一：设计类问题
汽车底盘往往是多个零部件、
多个系统（有制动系统、转向系统、行驶系统、传动系统）相互装配相互组合而成的。比较常
见的设计类问题包括零件在设计过程中的错误，
导致其几何形状、尺寸上的缺陷，造成的装配干涉；系统匹配时设计超差，
导致
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配合过瀛。
案例一：车辆低速走行时，左/右前轮异音，金属摩擦音
问题点调查：（1）现象：实车拆换，实物确认培林油封与ABS 齿圈有磨损且发出异音。（2）图面SPEC调查，图面经3D校核，两者有干涉：传动轴图面SPEC间隙量10.5MIN，而油封图面厚度标8mm未注公差（国标为8±0.2),C扣厚度2.4，两者图面理论值如果以上偏差将达到10.6mm，超过了传动轴允许间隙10.5mm。
对策：修订图面将油封厚度由8±0.2改为7±0.2，供应商配合修模。
经验总结：（1）本次异音的寻使用了FTT分析仪（通过频谱分析确认振动源），特别适合汽车底盘零部件行驶过程中产生异音来源的追踪，通过频谱分析，可在车辆行进中作业寻异音源。（2）问题真因需从源头图面出发调查，确保改善方案有效。
3.2问题类二：成车耐久试验NG，作动件耐久寿命不足、受高低温耐候不佳等
成车耐久是最能反映实车工况的试验。对零部件进行质量进行测试，需要模拟各种工况、各种气候。有n〉3台份的3万公里恶路耐久（路力相当正常行驶20万公里）；1万公里驱动耐久；wash out冲击试验等。相对单品试验花费多、试验周期长。但除了验证设计合理性、产品生产厂家制程与工艺稳定性，还能验证作动件的耐久性、耐候性；相互配合件的作动关联性。
案例二：成车恶路耐久2.2万公里，轴承失效
问题点调查：（1）现象：实车拆换、零件拆解，确认为轴承油封漏水，导致轴承沟道磨损。（2）图面SPEC调查，轴承油封为单层防护，Y型密封结构。单层防护的效果不佳，1道防护如遇泥水、碎砂等严苛环境将易破损。
对策：轴承油封设计变更，由单层防护变更为双层防护式油封，改善漏水不良隐患。并将材质由NBR提升为HNBR。
经验总结：（1）橡胶(NBR)主要采用低温乳液聚合法生产，生产工艺简单较易产出，耐油性极好。其缺点是耐高低温性差、耐臭氧性差，绝缘性能低劣，弹性较差。使用温度范围-30至120℃，广泛用于制造各种耐油橡胶制品、耐油垫圈、电缆胶材料等。氢化橡胶（HNBR）是由橡胶进行特殊加氢处理而得到的一种高度饱和的弹性体。使其具良好的耐热性能，优良的耐化学腐蚀性能，优异的耐臭氧性能，较高的抗压缩永久变形性能；缺点就是相对比较贵。使用温度范围-40至170℃。（2）轿车轮
毂轴承单元实际运行中所受载荷和疲劳寿命的理论分析模型，计算得到不同工况下载荷的大小和轮毂轴承的疲劳寿命，轿车轴承的疲劳寿命约为2.77×108r，轴承最大应力产生于内轴根部与法兰接合部，为259.94MPa。在受力的作动件设计时（如轴承、避震器、弹簧等），仅满足作动耐久寿命需求是不够的，应充分考虑提升设计裕度，往往我们会乘以相应的安全系数或做二道防护。
3.3问题类三：单品台架试验NG，模拟汽车受载过程中零部件强度不足、断裂等
单品台架试验是指产品出厂前，一般还要进行某些模拟试运行试验。模拟汽车运转过程，所受载荷、振动力等对零部件进行质量进行测试。相对成车试验有易实现、较经济、试验周期短优点。单品试验主要为验证设计合理性、产品生产厂家制程与工艺稳定性。
案例三：羊角单品静强度试验中裂纹
问题点调查：原因：以8G的拉力发现有裂纹，原因为铸造不良。经金相分析，由于自动添加球化剂设备故障，球化剂添加过少，导致球磨铸铁在铸造过程中球化率偏低。
对策：（1）根据铸造标示，同一炉浇铸的羊角报废。（2）改善球化剂设备，并在线炉边100%全检化学成分。
经验总结：（1）铸造中的孕育和球化是针对球铁而言的，球铁是用灰铁成分的铁液经过球化处理和孕
育处理方可得到。将球化剂（镁或硅镁合金）加入铁水的操作过程叫球化处理、可获得完整的石墨。球化处理的同时，须孕育处理——
—即让石墨量增加，石墨球径减小。孕育剂含有强烈促进石墨化的元素，通常是硅铁和硅钙合金。球化不良的产生原因很多，与球化剂中稀土元素种类、球化剂加入量、孕育剂、球化孕育操作方法、浇注温度及浇注时间等因素密切相关。本次问题是因为球化剂镁添加过少导致。（2）随着自动化程度越来越高，依靠设备的越来越多。对于重保件的生产，需定期对设备点检与校验，更需100%线边全检其化学成分等重要性能。
4总结与心得
随着汽车工业的发展，汽车已不再单纯的是一种交通工具，它已经是当代物质文明与科技进步的象征。汽车行业集机械、电子、化工、信息等工业于一体，反映了一个国家工业化、自动化水平。底盘系统作为汽车构架的基石，而前轴总成又是底盘系统内的关键。作为基石中的关键，重中之重的前轴总成的开发，更是开发管控的重点。经过前轴总成重保件的开发下来，除了需要有过强的专业知识，更应了解各质量管控Q-gate重点，为汽车工业的发展贡献力量。
在国内，许多整车企业的研发部门已经具有完备的软硬件设施，但依然需要我们不断学习、经验积累、提升技术、提高质量，振兴汽车行业这一民族产业。
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