驅(qū)動(dòng)橋輸入軸斷裂分析及改善

曠鵬 陳乾

【摘 要】重型商用車的驅(qū)動(dòng)橋在工作過程中，除承受載荷外，還需承受較大的扭矩，對(duì)整車的行駛安全性具有較大的影響。某新車型在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋輸入軸斷裂的現(xiàn)象，文章通過材質(zhì)檢測(cè)及理論計(jì)算，分析工藝過程，對(duì)失效因素進(jìn)行排查，最終找到失效原因，并提出改善措施，改善后驗(yàn)證效果良好。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動(dòng)橋；輸入軸；硬度；金相

【中圖分類號(hào)】U467 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）09-0075-03

0 引言

驅(qū)動(dòng)橋是整車動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)橋的輸入軸將傳動(dòng)軸輸出的力矩傳送至車輪，在工作過程中承受較大的扭轉(zhuǎn)和沖擊疲勞，是關(guān)系車輛行駛安全的關(guān)鍵零部件[1]。某車型在進(jìn)行整車定型試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋輸入軸斷裂的現(xiàn)象，需開展原因分析并制定整改措施，以提高新車型質(zhì)量。

1 斷裂位置

從1#故障件（如圖1所示）及2#故障件（如圖2所示）上可以看出，均為大頭端花鍵齒根部出現(xiàn)扭曲變形及斷裂。該位置變形斷裂的主要原因可能為材質(zhì)、硬度、金相組織存在異常導(dǎo)致強(qiáng)度降低或者應(yīng)力集中產(chǎn)生斷裂。

2 材質(zhì)分析

2.1 材料檢測(cè)

表1為故障件材料成分檢驗(yàn)結(jié)果，該零件要求材質(zhì)為42CrMo，可看出材料成分符合要求（由于1#故障件及2#故障件為同批次零件，材料成分可認(rèn)為一致）。

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)故障件進(jìn)行表面及心部硬度測(cè)試，1#故障件及2#故障件的表面硬度均為50 HRC，1#故障件的心部硬度為22～24 HRC，2#故障件的心部硬度小于17 HRC，而理論上要求表面硬度為55～60 HRC，心部硬度為26～32 HRC，均不合格。

2.3 金相組織檢測(cè)

表2為金相組織檢驗(yàn)結(jié)果，從中可以得出以下結(jié)論。

（1）斷口處齒頂含鐵素體多，組織軟，塑性大，因此斷口處齒輪嚴(yán)重扭曲變形。

（2）斷口面心部金相含較多鐵素體，且晶粒粗大，導(dǎo)致心部組織軟，易變形，承受能力弱。

3 理論計(jì)算驗(yàn)證

故障件所配車型為6×4牽引車，該車型的基本配置及載重情況詳見表3，基于該配置信息進(jìn)行輸入軸受力計(jì)算。

3.1 輸入軸扭矩計(jì)算

（1）通過發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算：M1輸入=M發(fā)動(dòng)機(jī)×i0×η=2 060×15.53×0.95=3 039 2.21 N·m（1）

式中：M發(fā)動(dòng)機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出按矩；i0為變速箱1擋速比；η為機(jī)械效率，取0.95。

（2）通過車輪打滑臨界條件計(jì)算：

M輸入（3.08）=■=■=27 130 N·m（2）

式中：G為雙橋滿載靜負(fù)荷；i主減為主減速比；μ為地面附著系數(shù)；η為機(jī)械效率，取0.95。

車輪打滑時(shí)所承受的扭矩即為輸入軸工作時(shí)承擔(dān)的最大扭矩，即3.08速比輸入軸最大承載：M（3.08）=27 130 N·m。

3.2 輸入軸彎矩計(jì)算

輸入軸上裝有斜齒齒輪，承受齒輪反作用的軸向力及徑向力，受力分析如下。

根據(jù)受力分析計(jì)算斷口處彎矩：

（1）根據(jù)輸入軸x-y平面的受力情況計(jì)算斷口處的彎矩大小。

Mx，x-y=6 589.98×0.1=659 N·m（3）

（2）根據(jù)輸入軸x-z平面的受力情況計(jì)算斷口處的彎矩大小。

Mx，x-z=53 111.8×0.1=5 311.2 N·m（4）

（3）根據(jù)圓形截面彎矩合成計(jì)算總彎矩大小。

Mx=■=5 351.9 N·m（5）

3.3 斷口應(yīng)力分析

根據(jù)實(shí)際硬度檢驗(yàn)結(jié)果估算心部及淬硬層的許用應(yīng)力[2]（為便于比較計(jì)算，取表層硬度為55 MPa，心部硬度為26 MPa）：

[σ心17HRC]≈0.9（49.1+3.174×170-16）

=515.4 MPa（6）

[σ心22HRC]≈0.9（49.1+3.174×220-100）

=582.6 MPa（7）

[σ淬50HRC]≈0.9（49.1+3.174×500+16）

=1 486.9 MPa（8）

[σ心26HRC]≈0.9（49.1+3.174×260+16）

=801.3 MPa（9）

[σ淬55HRC]≈0.9（49.1+3.174×550+16）

=1 629.7 MPa（10）

根據(jù)樣件實(shí)際情況（半徑R=30 mm；淬硬層深δ=7 mm）進(jìn)行計(jì)算。

則抗扭模量：Wt=■=42.39×10-6 m3（11）

抗彎模量：Wx=■=21.2×10-6 m3（12）

根據(jù)公式τ=■，計(jì)算輸入軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：

τ=■×106=640 MPa（13）

根據(jù)公式σ=■，計(jì)算輸入軸彎曲應(yīng)力：

σ=■×106=252.45 MPa（14）

則截面受到的最大應(yīng)力為σ=■=688 MPa，位于斷口外表面。

3.4 安全系數(shù)計(jì)算

分別對(duì)斷裂樣件、合格樣件進(jìn)行理論及實(shí)際應(yīng)力和扭矩計(jì)算[2]，可得出其安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下。{1}合格樣件（心部硬度為26 HRC，表面硬度為55 HRC）：理論最大極限應(yīng)力為1 043.9 MPa，實(shí)際計(jì)算最大應(yīng)力為688 MPa，安全系數(shù)為1.52。{2}1#故障件（心部硬度為22 HRC，表面硬度為50 HRC）：理論最大極限應(yīng)力為768.1 MPa，實(shí)際計(jì)算最大應(yīng)力為688 MPa，安全系數(shù)為1.12。{3}2#故障件（心部硬度為17 HRC，表面硬度為50 HRC）：理論最大極限應(yīng)力為670.9 MPa，實(shí)際計(jì)算最大應(yīng)力為688 MPa，安全系數(shù)為0.98。

根據(jù)前面計(jì)算及金相分析，得出結(jié)論如下：{1}通過金相分析，心部鐵素體成粗大晶粒，組織較軟，強(qiáng)度低，可塑性大，在受到較大載荷時(shí)，在心部容易發(fā)生變形而導(dǎo)致失效。{2}根據(jù)斷面分析，垂直軸向的斷裂模式主要為解理斷裂，斷裂方向?yàn)榫颉3}根據(jù)金相分析，花鍵齒頂?shù)鸟R氏體組織少，鐵素體+珠光體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致硬度低，容易產(chǎn)生嚴(yán)重扭曲變形。{4}根據(jù)受力計(jì)算，在打滑工況下，由于心部硬度不足，強(qiáng)度較低，導(dǎo)致輸入軸整體承載能力下降（安全系數(shù)下降），降低26%～36%；結(jié)合金相分析，花鍵處淬硬層存在不均勻且深度不足等問題，增加風(fēng)險(xiǎn)程度，故輸入軸存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

4 工藝過程分析

（1）心部組織為珠光體+索氏體+網(wǎng)狀、塊狀鐵素體：主要原因是調(diào)質(zhì)冷卻效果不良引起，淬火時(shí)采用整框（20件/框）豎直式吊入，導(dǎo)致中間部位個(gè)別零件冷卻效果不佳。

（2）表面硬度偏低：主要原因?yàn)榇慊鹨簼舛绕?，PAG淬火液濃度要求為7%～10%，正常添加淬火液時(shí)，操作工人憑經(jīng)驗(yàn)添加，未能進(jìn)行檢測(cè)，導(dǎo)致濃度偏高。

5 改進(jìn)方案及效果

5.1 改善措施

（1）取消退刀槽，減少應(yīng)力集中。

（2）采用單根懸掛淬火，避免中間部位個(gè)別零件冷卻效果不佳。

（3）嚴(yán)格按規(guī)定控制淬火液濃度的添加，采用折光儀對(duì)淬火液濃度進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到7%～10%的要求后方能進(jìn)行生產(chǎn)。

5.2 改善前后強(qiáng)度計(jì)算

如圖3及圖4所示，A、B位置為故障件斷裂及應(yīng)力較大位置，對(duì)此2處位置進(jìn)行改善前后的強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表4，可看出強(qiáng)度得到較大提升。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證效果

通過上述改善后的輸入軸裝車進(jìn)行3萬km定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路試驗(yàn)，未再出現(xiàn)輸入軸斷裂問題，改善效果良好。

6 建議

驅(qū)動(dòng)橋作為重型汽車重要的零部件系統(tǒng)，在開發(fā)過程中有以下幾點(diǎn)建議：{1}應(yīng)根據(jù)實(shí)車使用環(huán)境、運(yùn)行工況進(jìn)行理論計(jì)算，分析材料是否滿足強(qiáng)度要求。{2}零件結(jié)構(gòu)在滿足加工工藝的前提下，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置。{3}生產(chǎn)過程的關(guān)鍵工藝應(yīng)作為重點(diǎn)監(jiān)控環(huán)節(jié)，提高過程一致性。{4}制訂有效的外購(gòu)件材質(zhì)抽查檢驗(yàn)計(jì)劃，避免不合格件流入。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐珊珊，萬從貴，王海朔.某驅(qū)動(dòng)橋半軸套管斷裂分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技與企業(yè)，2012（11）.

[2]袁玉明，徐以軍，楊建威.軸類零件表面淬硬層深度的確定[J].山東冶金，2003（4）.

[3]余兆新，謝靈揚(yáng).42CrMo鋼硬度與強(qiáng)度關(guān)系研究[J].裝備制造，2009（4）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]