某輕型客車傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂問題分析及優(yōu)化

郭磊，原孝菊（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型客車傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂問題分析及優(yōu)化

郭磊，原孝菊
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：文章主要通過對某輕型客車中間支架安裝螺栓斷裂問題進(jìn)行分析，找出斷裂產(chǎn)生的原因，并制定相應(yīng)的整改方案，最后對整改方案進(jìn)行實物驗證，證明措施是有效的。通過本次故障分析和整改，了解可能導(dǎo)致傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂的因素，為解決同類問題和后期傳動軸中間支架安裝螺栓開發(fā)提供可供參考的思路。

關(guān)鍵詞：動平衡；頻率；扭矩

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.043

CLC NO.: U469.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-120-04

引言

傳動軸作為底盤的一個重要運動部件，其在不同軸心的兩軸間甚至在工作過程中相對位置不斷變化的兩軸間傳遞動力，對于車輛的行駛安全性至關(guān)重要。傳動軸中間支架主要起到傳動軸前后節(jié)的連接及支承作用，同時起到一定的位移補(bǔ)償功能。傳動軸中間支架通過螺栓與車身連接，在車輛行駛過程中一旦螺栓斷裂，高速旋轉(zhuǎn)的傳動軸將無法傳遞動力，甚至造成傳動軸損壞、發(fā)生事故等。

文中針對國內(nèi)某輕型客車傳動軸中間支架安裝螺栓在低速甚至靜止?fàn)顟B(tài)突然發(fā)生斷裂現(xiàn)象，通過對傳動軸振動、螺栓安裝預(yù)緊力及螺栓本身的性能等方面，分析導(dǎo)致該傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂的原因并整改。同時通過對傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂的分析，探究其故障原因，為后期傳動軸中間支架安裝螺栓的設(shè)計提供借鑒。

1、傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂分析

本次研究的某輕型客車傳動軸中間支架是通過螺栓與車身連接的，結(jié)構(gòu)見圖1：

現(xiàn)場反饋，部分車輛在試驗跑道上低速行駛過程時甚至部分車在靜止時, 傳動軸中間支架安裝螺栓出現(xiàn)突然斷裂現(xiàn)象。接到故障反饋后，立即著手對故障件進(jìn)行分析。根據(jù)螺栓的受力特點分析，產(chǎn)生斷裂的原因可能有下述幾種：

（1）傳動軸動平衡不合格，造成傳動軸的振動，引起中間支架安裝螺栓斷裂；

（2）傳動軸的1階模態(tài)頻率低于傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率，共振引起的中間支架安裝螺栓斷裂；

（3）螺栓的安裝扭矩設(shè)計不合理，造成螺栓的軸向力過大，導(dǎo)致螺栓被拉伸變形，最終出現(xiàn)斷裂，且扭矩出現(xiàn)衰減；

（4）螺栓本身不合格。

上述4種情況中任意兩種或兩種以上同時出現(xiàn)時，也會導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生斷裂。下文中將逐個驗證上述各因素對螺栓斷裂的影響，排除干擾因素，從而找到主因，并實施相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1.1 傳動軸動平衡檢測

為了判定傳動軸動平衡是否滿足使用要求，我們對故障車及生產(chǎn)廠家現(xiàn)場的傳動軸隨機(jī)抽取進(jìn)行了動平衡檢測，檢測結(jié)果見表1：

表1　傳動軸動平衡檢測結(jié)果

從檢測結(jié)果可以看出來，故障車及生產(chǎn)現(xiàn)場隨機(jī)抽取的樣件傳動軸動平衡符合設(shè)計要求。

1.2 傳動軸頻率校核

為了判定傳動軸動頻率是否滿足使用要求，我們對故障車的傳動軸頻率進(jìn)行了檢測，并與理論值進(jìn)行比較。檢測結(jié)果見圖2和表2：

表2　傳動軸頻率檢測結(jié)果

根據(jù)傳動軸的布置形式，如圖3所示，分別根據(jù)發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高車速計算臨界轉(zhuǎn)速，取其中最小值為傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速。

一是根據(jù)發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速

式中

n0為臨界轉(zhuǎn)速；

nmax為發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速；

i0為最高檔變速器傳動比。

另一種是根據(jù)最高車速：

式中

Vmax為最高車速；

r為輪胎滾動半徑；

ig為主減速器傳動比。

已知發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，最高車速為150km ／h，最高檔變速器傳動比為0.794，主減速器傳動比為4.875，輪胎半徑為326mm，計算得臨界轉(zhuǎn)速分別為5668r/min和5953r/min，因此傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速為5668r/min，對應(yīng)1階模態(tài)頻率為95Hz。

通過以上校核可以發(fā)現(xiàn)，故障車輛傳動軸的實際頻率遠(yuǎn)大于計算值，因此傳動軸工作過程中不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象導(dǎo)致傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂。

1.3 安裝扭力校核

傳動軸中間支架安裝螺栓設(shè)計裝配扭矩為22-27 N·m，根據(jù)裝配扭矩校核螺栓承受的最大應(yīng)力，

Tf=K×Ff×d

K=Tfmin/Tfmax

表3

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，螺栓承受的最大預(yù)緊力Ff=21250N σ=1.3×Ff/As

As=π/4((d2+d3)/2)2

d3=d1-H/6

H=0.866p

表4

計算得到的傳動軸吊掛螺釘所承受的最大應(yīng)力σ =754.6MPa＜螺釘?shù)淖钚】估瓘?qiáng)度σbmin=800MPa（緊固件螺栓、螺釘和螺柱的機(jī)械性能GB/T 3098.1規(guī)定），設(shè)計裝配扭矩滿足要求，不會造成安裝螺栓斷裂。

隨機(jī)抽取生產(chǎn)現(xiàn)場的15臺車輛對其傳動軸中間支架安裝螺栓的裝配扭矩進(jìn)行檢測，并在試驗跑道上試跑一圈后復(fù)測，檢測結(jié)果見表5：

表5　傳動軸中間支架安裝螺栓裝配扭力檢測

從上述數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)場裝配扭矩全部在設(shè)計范圍之內(nèi)，不會造成安裝螺栓斷裂。經(jīng)過試跑后，扭矩雖然出現(xiàn)一定衰減，但也符合設(shè)計要求。

1.4 螺栓本身性能檢測

1.4.1 故障件斷口分析

電鏡掃描螺栓斷面，斷口為冰糖狀，斷裂方式為沿晶脆性斷裂，見圖4：

1.4.2 螺栓材料成分分析

圖紙要求螺栓材料為SWRCH18A，對故障件的材料成分進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6：

表6　螺栓材料成分分析表

從以上檢測結(jié)果可以看出，C含量偏高，不符合螺栓圖紙設(shè)計要求。

1.4.3 螺栓金相分析

對故障件進(jìn)行金相試驗，結(jié)果見表7：

表7　螺栓金相分析表

從檢測結(jié)果可以看出，螺釘芯部金相組織為細(xì)小低碳馬氏體，表面組織為細(xì)小回火馬氏體，有過燒現(xiàn)象，易使螺釘產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

1.4.4 表面處理

傳動軸中間支架安裝螺栓表面鍍層為鋅鍍層，本身存在氫脆風(fēng)險。

2、優(yōu)化改進(jìn)

2.1 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析，我們針對傳動軸中間支架安裝螺栓車輪螺栓斷裂問題提出如下改進(jìn)優(yōu)化措施：

（1）對傳動軸中間支架安裝螺栓的生產(chǎn)工藝和后處理工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證螺栓成品的C含量符合圖紙對螺栓材料成分的設(shè)計要求；

（2）將傳動軸中間支架安裝螺栓由專用件更換成標(biāo)準(zhǔn)件，保證傳動軸中間支架安裝螺栓的一致性和裝配性能；

（3）螺栓增加彈性墊圈，防止出現(xiàn)扭矩衰減；

（4）將螺栓表面鍍層由鋅鍍層更改為鋅鋁鉻鍍層，避免鋅鍍層存在的氫脆風(fēng)險。

注：傳動軸中間支架安裝螺栓為專用件，對生產(chǎn)工藝和后處理工藝優(yōu)化成本較高，故未實施。

2.2 改進(jìn)后的實施效果

（1）對更換的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行理論校核，滿足傳動軸中間支架安裝的需求；

（2）對生產(chǎn)現(xiàn)場裝配的車輛進(jìn)行持續(xù)跟蹤，連續(xù)跟蹤6個月，現(xiàn)場未再出現(xiàn)螺栓斷裂問題；

（3）在2輛試驗車上進(jìn)行可靠性路試，期間每3000公里對螺栓進(jìn)行檢查并檢測裝配扭矩，經(jīng)過3萬公里路試后，螺栓完好，未再次出現(xiàn)斷裂問題，裝配扭矩也未出現(xiàn)衰減。

3、結(jié)論

通過以上分析，最終得出如下結(jié)論：

（1）本次研究的某輕型客車傳動軸中間支架安裝螺栓斷裂問題主要是由螺栓材料、金相組織不滿足要求引起的；

（2）通過對整改措施的試驗驗證，說明整改是有效的；

（3）通過本次故障分析及整改，我們了解了傳動軸中間支架安裝螺栓在設(shè)計時，應(yīng)該考慮的因素包括：

1）傳動軸工作中由動不平衡、傳動軸本身的頻率引起的振動；

2）螺栓本身的性能要求；

3）螺栓螺紋摩擦系數(shù)和支撐面摩擦系數(shù)；

4）轉(zhuǎn)配扭矩；

5）扭力衰減。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉世愷.汽車傳動系統(tǒng)構(gòu)造原理[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[4] 孫永將,張鋮.基于載貨汽車傳動軸的應(yīng)用研究[J].輕型汽車技術(shù), 2014.

[5] B/T 16823.2 螺紋緊固件緊固通則.

Analysis and optimization of bolt fracture in the middle bracket of a light bus transmission shaft

Guo Lei, Yuan Xiaoju
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:This paper mainly analyse the middle bracket of a light-duty passenger vehicle installation bolt fracture problems, and find out the causes of the fracture, and formulate the corresponding improvement scheme. Finally, the rectification scheme for actual product are effective. Through the failure analysis and corrective, we know the factors that may lead to shaft bracket installation bolt fracture, and provide reference idea development for solving the similar problems and late middle shaft bracket mounting bolts.

Keywords:Dynamic balance; frequency; torque

作者簡介：郭磊，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

中圖分類號：U469.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-120-04