軸間差速器十字軸的疲勞斷裂分析與改進

宋開勛

(上汽依維柯紅巖商用車有限公司部件技術(shù)處，重慶 400900)

安裝于汽車驅(qū)動橋內(nèi)的差速器分為輪間差速器和軸間差速器兩種，他們的功能是根據(jù)地面摩擦力大小或者轉(zhuǎn)速差異實現(xiàn)不同驅(qū)動力矩的分配。

輪間差速器的功能是對車橋兩端輪子實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速驅(qū)動。例如，汽車一側(cè)輪子打滑或者轉(zhuǎn)彎時左右側(cè)輪子的轉(zhuǎn)速不同，是通過輪間差速器來實現(xiàn)的。

軸間差速器是安裝在于雙聯(lián)重型車橋的中橋內(nèi)，功能是實現(xiàn)中后橋車輪不同的轉(zhuǎn)速。當(dāng)汽車某一個橋或橋的一側(cè)車輪懸空或打滑時，要同時鎖住輪間和軸間差速器，使傳遞力矩均勻分配，防止車輪打滑，以獲得足夠大的牽引力使汽車繼續(xù)行駛。

輪間差速器和軸間差速器的裝配和工作位置如圖1 所示。

1 軸間差速器的結(jié)構(gòu)和工作原理

軸間差速器安裝在中橋主減速器內(nèi)，軸間差速器的十字軸內(nèi)花鍵部分連接中橋輸入軸，接受輸入方向傳來的扭矩，在得到旋轉(zhuǎn)力矩時差速器十字軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，通過十字軸上的四個行星輪傳遞給后半軸齒輪，然后傳遞給貫通軸，再到輸出法蘭，最后再通過后橋傳動軸傳遞到后橋輸入端連接法蘭。

軸間差速器十字軸位置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

軸間差速器十字軸在工況下，內(nèi)花鍵接受轉(zhuǎn)矩使十字軸轉(zhuǎn)動。從理論上說，在中后橋沒有速度差的時候，四個行星輪不會轉(zhuǎn)動，只由嚙合齒部位傳遞力矩，后半軸齒輪在得到旋轉(zhuǎn)力時產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，輸出扭矩力向后傳遞。在理論靜載荷工況下，各部件是不容易發(fā)生問題的。但在實際重載工況時，整個傳動系統(tǒng)的使用條件非常惡劣，由于路面的不平，以及車輪高速轉(zhuǎn)動，會產(chǎn)生成倍于靜載荷的瞬間沖擊力，這種沖擊力產(chǎn)生一種作用于與十字軸的旋向相反的剪切力。若十字軸的根部內(nèi)部組織已經(jīng)存在金屬疲勞裂紋，反向剪切力則容易使差速器十字軸發(fā)生斷裂。

圖1 輪間差速器和軸間差速器的安裝位置Figure 1 Mounting places of wheeled differential and interaxial differential

圖2 軸間差速器的結(jié)構(gòu)Figure 2 Fabrication of interaxial differential

圖3 十字軸發(fā)生疲勞斷裂的碎片F(xiàn)igure 3 Fraction of cross shaft caused by fatigue fracture

圖3 是十字軸在運行一段時間后發(fā)生疲勞斷裂的破碎散件，斷裂部位為十字軸軸肩過渡處。斷裂原因是十字軸疲勞極限過小。

2 基于Hyper Works 的十字軸有限元應(yīng)力分析

十字軸參數(shù)和關(guān)聯(lián)約束為:滲碳層深(0.8～1.0)mm，硬度58～62HRC，材料20CrMnTi，彈性模量E=2.13E5 MPa，泊松比μ=0.289，屈服強度Re=835 MPa，抗拉強度Rm=1 080 MPa，最大輸入扭矩16 269 N·m(速比5.286)。對十字軸進行了有限元應(yīng)力分析，從分析結(jié)果看，該十字軸應(yīng)力集中于軸根部和肩部過渡區(qū)域(圖4 中標示部分)，這些部位容易產(chǎn)生斷裂。

3 失效分析

該材料為30CrMo 調(diào)質(zhì)處理。材料疲勞極限σ-1=431 MPa，計算得出彎曲疲勞極限綜合影響系數(shù)Kσ=2.426，零件疲勞極限σe-1=431/2.426=178 MPa。

由于零件尺寸大小不能改變，考慮從兩個方面來提高零件疲勞極限:

(1)改變材料。

改用22CrMoH 材料，疲勞極限σ-1=430 MPa(據(jù)經(jīng)驗公式計算而得)。

(2)降低彎曲疲勞極限綜合影響系數(shù)Kσ。Kσ計算公式為:

式中 kσ——零件有效應(yīng)力集中系數(shù)，kσ=1.2×1.774=2.124(1.2 倍是考慮到有兩個扁方);

εσ——零件的尺寸系數(shù)，εσ=0.85/1.2=0.708 3;

βσ——零件表面質(zhì)量系數(shù)，βσ=0.8(磨削);

βq——零件強化系數(shù)，βq=1.6(滲碳淬火)。

圖4 十字軸的有限元應(yīng)力分析Figure 4 Finite element analysis of cross shaft stress

按公式計算得出，Kσ=1.944

經(jīng)改進后，計算得到零件疲勞極限:σe-1=430/1.944=221 MPa，零件疲勞極限得到了提高。

以上循環(huán)特征均以對稱循環(huán)作為計算條件，與實際工況差別較大，但有相對比較價值。

經(jīng)實踐證明，改進后的結(jié)構(gòu)零件疲勞壽命比改前有較大幅度提高，同時也提高了潤滑效果。

4 改進措施

軸間差速器十字軸發(fā)生斷裂的根本原因是存在金屬疲勞裂紋和瞬間沖擊力。瞬間沖擊力是由實際操作和路面情況決定，所以，為減小疲勞裂紋的產(chǎn)生，必須從設(shè)計上減小結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力。針對十字軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選取，采取的解決方案:

(1)如圖5 所示，在十字軸A 和B 的圓弧過渡處增加倒圓角R1，同時從工藝上降低表面粗糙度，改善表面質(zhì)量，進一步減小應(yīng)力集中。

(2)在材料方面，原來采用30CrMo 通過淬火、回火的熱處理方式，使材料整體達到較好的綜合力學(xué)性能。但是為了實現(xiàn)材料更好的抗沖擊力，需要提高材料的韌性，同時還要提高表面硬度。綜合以上各因素，我們選用了合金滲碳鋼22CrMoH(或者17CrNiMo)，通過滲碳淬火的工藝方式得到理想的力學(xué)性能。

5 結(jié)語

圖5 在十字軸A、B 處增加倒圓角R1Figure 5 Fillet R1added on A ＆ B locations of cross shaft

經(jīng)過在設(shè)計和材料上的改進后，通過一段時間的試驗，該軸間差速器十字軸斷裂明顯減少，質(zhì)量事故和“三包索賠”費用也顯著下降，取得了較好的經(jīng)濟效益。

［1］曾正明主編.實用金屬材料選用手冊.機械工業(yè)出版社，2012.

［2］秦大同，謝里陽主編.機械設(shè)計手冊:第三卷.化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］劉惟信主編.汽車車橋設(shè)計.清華大學(xué)出版社，2004.

［4］西北工業(yè)大學(xué)機械原理及機械教研室編著.機械設(shè)計.第八版.高等教育出版社，2006.