差速器內(nèi)一字軸斷裂原因分析及改進(jìn)

鄧文華

(江西江鈴底盤股份有限公司，江西撫州 344000)

差速器內(nèi)一字軸斷裂原因分析及改進(jìn)

鄧文華

(江西江鈴底盤股份有限公司，江西撫州 344000)

針對某汽車驅(qū)動(dòng)橋差速器內(nèi)的一字軸斷裂故障，對一字軸受力情況進(jìn)行分析，得到危險(xiǎn)截面位置及對應(yīng)的綜合應(yīng)力大小，根據(jù)QC/T 543-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，確定一字軸斷裂的原因。通過采取提升最小硬度值的方法來增加一字軸抗拉強(qiáng)度值，并進(jìn)行模擬整車路試試驗(yàn)對比改進(jìn)前后一字軸壽命。試驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)措施的有效性和受力分析計(jì)算的合理性。

驅(qū)動(dòng)橋；一字軸；斷裂失效；受力分析

0 引言

某裝配有一字軸差速器的試驗(yàn)車在進(jìn)行整車停止啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)差速器內(nèi)的一字軸斷裂失效現(xiàn)象，斷裂故障件如圖1所示。為找到失效原因及解決故障，需對一字軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否滿足整車要求進(jìn)行校核。

圖1 一字軸斷裂故障件

文中通過對一字軸受力情況進(jìn)行分析，找出最大應(yīng)力點(diǎn)位置并計(jì)算其應(yīng)力的大小，結(jié)合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求和材料的抗拉強(qiáng)度，分析失效的原因并采用提高零部件強(qiáng)度來解決一字軸斷裂問題。

1 一字軸受力分析

1.1 傳遞的扭矩值T

車橋是將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞給兩邊輪胎并承擔(dān)整車載荷的重要零部件，動(dòng)力由主減器總成經(jīng)過半軸傳遞至兩側(cè)輪胎。在主減總成中，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)被動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，被動(dòng)齒輪與差速器殼相連，動(dòng)力傳遞至差速器殼后，由其內(nèi)嵌的一字軸帶動(dòng)半軸行星齒輪旋轉(zhuǎn)[1-2]。因此一字軸承受的扭矩值T1=T·i，其中T為后橋輸入扭矩，i為主減速比。

1.2 一字軸應(yīng)力分布分析

從主減總成結(jié)構(gòu)(圖2)中可以看出：與一字軸接觸的有差速器殼體和行星齒輪，一字軸受到差速器殼的推力和行星齒輪的阻力，在受力分析計(jì)算過程中，將所有零部件假設(shè)成剛體，則在接觸區(qū)域可看成均布力。受力圖如圖3所示。

圖2 差速器總成結(jié)構(gòu)圖

圖3 一字軸受力示意圖

計(jì)算出一字軸上均布力q1和q2的大?。?/p>

其中：L1為一字軸總長；L2為一字軸與行星齒輪接觸位置a長度；L3為一字軸與行星齒輪接觸位置b長度；T1為傳遞的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。

進(jìn)一步分析一字軸剪切力(圖4)和彎矩分布圖(圖5)。以一字軸斷面為原點(diǎn)，位置x處剪切力和彎矩大小為：

(1)在x≤a時(shí)，其中a=(L1-L2)/2，剪切力：

F=q1x

彎矩：

F=q1a-q2(x-a)

彎矩：

F=q1a-q2(b-a)

彎矩：

圖4 一字軸剪切力分布圖

圖5 一字軸彎矩分布圖

從受力分布圖可以看出，危險(xiǎn)截面可能存在于a或b處，分別計(jì)算出兩處的剪切力和彎矩。

危險(xiǎn)截面1：在x=a處，此時(shí)剪切力達(dá)到最大值:

F1=q1(L1-L2)/2

彎矩大小:

剪切力F2大小：

根據(jù)危險(xiǎn)截面處的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出對應(yīng)的橫截面積A和慣性矩J。因?yàn)橐蛔州S材料屬于塑性材料，根據(jù)形狀改變比能理論(第四強(qiáng)度理論)進(jìn)行強(qiáng)度校核[4]。

將主減速器輸入力矩大小、齒輪速比、一字軸接觸長度和截面形狀尺寸參數(shù)代入上述公式，計(jì)算出截面1處綜合應(yīng)力為364.5 MPa，截面2處綜合應(yīng)力為580 MPa，因此截面2為綜合應(yīng)力最大處，對應(yīng)的斷裂位置b值為26.2 mm。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)一字軸材料為20CrMnTi，要求最小芯部硬度值為HRC25，查國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 18265-2003《金屬硬度換算表》，對應(yīng)抗拉強(qiáng)度值854 MPa，根據(jù)QC/T 543-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》中對驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭強(qiáng)度的失效后備系數(shù)大于1.8的規(guī)定[3]，該設(shè)計(jì)值只有1.47，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的強(qiáng)度要求。

2 改進(jìn)方案

將一字軸芯部硬度值提升至HRC34以上，對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值為1 080 MPa，強(qiáng)度系數(shù)為1.86，與改進(jìn)前一字軸進(jìn)行試驗(yàn)對比，按照發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩的1.8倍作為試驗(yàn)輸入，試驗(yàn)時(shí)將驅(qū)動(dòng)橋兩邊按照整車慣性參數(shù)增加力矩，同時(shí)在主減凸緣頭處輸入扭矩，扭矩由0加到最大后減至0為一循環(huán)，轉(zhuǎn)矩的加載如圖6所示。改進(jìn)前一字軸試驗(yàn)次數(shù)為712和1 597，而改進(jìn)后一字軸試驗(yàn)次數(shù)為2 080和3 760，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后一字軸較改進(jìn)前一字軸承受沖擊載荷強(qiáng)度能力得到明顯的提高，改進(jìn)后一字軸實(shí)驗(yàn)次數(shù)滿足公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)件斷裂處位置為27.2 mm，與理論分析位置相同，進(jìn)一步驗(yàn)證一字軸受力分析的合理性。最后將改進(jìn)后的一字軸裝于后橋并用于整車廠整車啟動(dòng)試驗(yàn)，未出現(xiàn)一字軸斷裂故障，滿足整車要求。

圖6 實(shí)驗(yàn)載荷加載表1 模擬整車實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣件序號(hào)實(shí)驗(yàn)次數(shù)硬度值1號(hào)712HRC282號(hào)1597HRC363號(hào)2080HRC404號(hào)3760HRC44

圖7 一字實(shí)驗(yàn)軸斷裂圖

3 結(jié)論

主要分析一字軸受力情況，參考驅(qū)動(dòng)橋標(biāo)準(zhǔn)，得出合理的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。針對一字軸斷裂的故障現(xiàn)象，提出通過增加材料硬度值來提升零部件的抗拉強(qiáng)度。最后通過模擬整車啟動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境，對改進(jìn)前后的一字軸進(jìn)行沖擊試驗(yàn)對比。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的一字軸抗沖擊強(qiáng)度得到了明顯的提高，并通過整車試驗(yàn)。通過每個(gè)試驗(yàn)件的斷裂位置證明一字軸受力分析的正確性。受力分析及計(jì)算過程可作為一字軸強(qiáng)度校核參考。

【1】宋開勛.軸間差速器十字軸的疲勞斷裂分析與改進(jìn)[J].中國重型裝備，2013(2):16-18. SONG K X.Analysis and Innovation of Fatigue Fracture for Interaxial Differential Cross Shaft[J].China Heavy Equipment,2013(2):16-18.

【2】劉惟信.汽車車橋設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

【3】汽車工程手則編輯委員會(huì).汽車工程手則[M].北京：人民交通出版社，2001.

【4】劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

Reasons Analysis and Improvement of One-line Shaft Breakage in Differential

DENG Wenhua

(Jiangxi Jiangling Chassis Co.,Ltd., Fuzhou Jiangxi 34400,China)

Aiming at the failure of one-line shaft in the differential of a drive axle, the stress of the one-line shaft was analyzed. The position of the dangerous section and the corresponding integrated stress were obtained. According to QC/T 543-1999 Vehicle Drive Axle Bench Test Evaluation Standards, the cause of the one-line shaft breakage was found. Then by increasing the minimum hardness value, the one-line shaft tensile strength value was increased. The fatigue lives of the improved one-line shaft and the unimproved one-line shaft were compared through the simulated vehicle road experiment. The experimental results prove the validity of the improvement measures and the rationality of the stress analysis and calculation.

Drive axle; One-line shaft; Breakage; Stress analysis

2016-11-27

鄧文華,男，碩士，從事車橋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開始工作。E-mail:fddwh123@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.017

U463.218+3

B

1674-1986(2017)03-068-03