變速器中間軸斷裂失效分析及改進(jìn)

劉曉雷，向權(quán)力，孫智金，楊林

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變速器中間軸斷裂失效分析及改進(jìn)

劉曉雷，向權(quán)力，孫智金，楊林

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

文章針對某款變速器疲勞壽命臺架實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的中間軸斷裂問題，分析了斷裂原因，提出了設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性，給以后變速器設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

變速器；中間軸；斷裂

前言

中間軸是變速器傳扭的重要零件，變速器中間軸的斷裂屬于I類嚴(yán)重故障[1]，如果出現(xiàn)中間軸斷裂問題，將直接導(dǎo)致變速器損壞無法工作，嚴(yán)重者會導(dǎo)致車輛事故；因此，變速器中間軸的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要，需要充分了解工況設(shè)計(jì)較大的安全系數(shù)；我公司某款單中間軸斜齒變速器，主機(jī)廠家發(fā)動機(jī)輸出扭矩增大約5%，為考察是否可以進(jìn)行匹配，根據(jù)客戶要求按照提升后的扭矩做強(qiáng)化疲勞壽命試驗(yàn)，總共做了三輪疲勞壽命，分別在第5、8、10循環(huán)出現(xiàn)了中間軸斷裂的故障，因此可以判斷原有結(jié)構(gòu)變速器不能超扭使用，不然會帶來斷軸的風(fēng)險(xiǎn)?？蛻魧Υ朔浅Ｖ匾?，要求我方找出原因并提出絕對有效的解決方案。

1 問題描述及分析

1.1 問題描述

我公司某款單中間軸變速器在疲勞壽命試驗(yàn)第8循環(huán)二擋時發(fā)現(xiàn)異常震動，試驗(yàn)人員立即停機(jī)，發(fā)現(xiàn)中間軸軸承蓋碎裂，拆箱發(fā)現(xiàn)中間軸二擋齒輪下方靠近半圓鍵前端部位斷裂。如圖1和圖2中框出所示。

圖1 中間軸斷裂拆箱照片

圖2 中間軸總成結(jié)構(gòu)圖

該變速器為單中間軸全斜齒變速器，中間軸承受扭矩、彎矩共同作用，且中間軸上軸向力在前進(jìn)擋時抵消，此處斷裂在原變速器臺架試驗(yàn)中從未發(fā)生過，初步分析可能的原因有以下幾個方面：1）扭矩過大扭轉(zhuǎn)剪切斷裂；2）彎曲撓度過大彎曲折斷；3）原材料不滿足要求；4）存在裂紋缺陷；以上都是可能原因，必須經(jīng)過相關(guān)計(jì)算、檢測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能確認(rèn)根本原因。

1.2 原因分析

1.2.1撓度校核計(jì)算

故障變速器是根據(jù)客戶要求扭矩增大4%進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，因此，我們有必要對新的輸入扭矩下的中間軸撓度進(jìn)行計(jì)算，本文通過Rom ax分析軟件，建立變速器齒輪傳動三維模型如圖3所示，給一軸進(jìn)行純扭矩加載，可以得出偏移量幅值云圖4，最終計(jì)算出變速器掛一檔時撓度最大為0.3mm，掛二擋時撓度最大為0.25mm，且最大撓度位置都在距離軸左端200mm處，通過比對中間軸圖紙，此處正是發(fā)生斷裂的部位。

圖3 Rom ax計(jì)算模型

圖4 Rom ax計(jì)算云圖

圖5 掛一檔時中間軸撓度計(jì)算圖

圖6 掛一檔時中間軸扭轉(zhuǎn)角計(jì)算圖

圖7 掛二檔時中間軸撓度計(jì)算圖

圖8 掛二檔時中間軸扭轉(zhuǎn)角計(jì)算圖

1.2.2理化檢測及斷口形貌分析

經(jīng)過理化檢測，發(fā)現(xiàn)中間軸材質(zhì)、表面硬度、金相組織、有效硬化層深，以及光軸斷裂部位的表面硬度、殘余層深等均符合技術(shù)要求；通過在顯微鏡下觀察可以判斷斷裂類型屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂[2]，斷裂源是在中間軸半圓鍵槽的尖角部位附近，初步懷疑是交變得彎曲和扭轉(zhuǎn)共同作用，使得此處超過了材料的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生了最初的裂紋，隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。

1.2.3半圓鍵槽初始裂紋驗(yàn)證

圖10 鍵槽尖角處顯微照片

經(jīng)過1.2.2的分析可知，裂紋源起始于半圓鍵尖角處，因此，有必要對半圓鍵槽處是否存在初始裂紋進(jìn)行驗(yàn)證，通過對比同一個中間軸，未安裝半圓鍵時、安裝半圓鍵拆裝后、疲勞試驗(yàn)?zāi)ズ虾箧I槽尖角處的顯微形貌發(fā)現(xiàn)，如圖10 a）可以看到原始新軸尖角處無顯微裂紋，圖10 b）在安裝半圓鍵間隙是-0.05的情況下，拆去半圓鍵后發(fā)現(xiàn)尖角有長度為0.39毫米的裂紋；圖10 c）各檔磨合1h，一檔正式1小時，其余檔位30min后（五檔箱），排查未斷軸的變速器中間軸與半圓鍵配合間隙，基本都在0.003~0.007之間（設(shè)計(jì)配合是-0.075~0.012），因此從對比分析可以得知：半圓鍵過盈量較大情況，會使得半圓鍵槽尖角產(chǎn)生安裝的裂紋，并且試驗(yàn)過程中，此裂紋會因?yàn)榘雸A鍵剪切和軸的彎曲扭轉(zhuǎn)變形而加劇。

綜合以上計(jì)算和檢測驗(yàn)證，可知此變速器中間軸斷裂失效原因如下：中間軸斷裂處撓度最大，且比較同類單中間軸變速器，其撓度值偏高于其他箱型；裂紋源始于半圓鍵槽尖角處，且半圓鍵過盈量較大情況，會使得半圓鍵槽尖角產(chǎn)生安裝的裂紋（砸半圓鍵進(jìn)入鍵槽），此裂紋會在試驗(yàn)過程中由于軸的彎曲扭轉(zhuǎn)變形、半圓鍵的剪切變形等而不斷加劇，最終擴(kuò)展以致斷裂。此中間軸斷裂是一個疲勞斷裂的過程，在中間軸發(fā)生瞬斷之前，中間軸的徑向定心產(chǎn)生嚴(yán)重傾斜，中間軸上軸向力不能抵消，軸向力通過后端軸承最終傳遞到軸承蓋上，使得軸承蓋發(fā)生碎裂。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

圖11所示為改進(jìn)設(shè)計(jì)的中間軸的結(jié)構(gòu)方案，跟原來結(jié)構(gòu)相比較，為了規(guī)避半圓鍵安裝以及受力帶來尖角顯微裂紋的情況，取消了半圓鍵，通過類比其他單中間軸變速器的最大撓度，對中間軸二檔處危險(xiǎn)截面的軸徑進(jìn)行加粗設(shè)計(jì)，二檔齒輪與中間軸過盈聯(lián)結(jié)，為了避免過盈安裝對于齒根彎曲強(qiáng)度的影響，其中二檔輪齒部下方是小過盈配合。將改進(jìn)后的中間軸總成裝配兩臺樣機(jī)進(jìn)行總成疲勞壽命試驗(yàn)和靜扭臺架試驗(yàn)，均順利通過，后續(xù)跟蹤路試未反饋問題，經(jīng)過了市場的驗(yàn)證，我們可以認(rèn)為改進(jìn)效果明顯，解決了中間軸斷裂的問題。

圖11 改進(jìn)設(shè)計(jì)中間軸結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文針對某款變速器中間軸斷裂的問題，從有限元撓度計(jì)算、理化檢測及斷口形貌分析、裂紋源對比驗(yàn)證四個方面進(jìn)行了原因分析，中間軸斷裂是斷裂處撓度偏大、半圓鍵大過盈裝配初始裂紋、中間軸交變的彎曲變形等幾個因素疊加最終造成的結(jié)果，本文的原因分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)對于其它變速器設(shè)計(jì)有很大的參考價值。

[1] 沈鴻.機(jī)械工程手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 楊瑞成等.失效分析與選材[M].上海:上海交通大學(xué)出版社.2014.

[3] 宋進(jìn)桂,龔宗洋.汽車變速器理論基礎(chǔ)選擇設(shè)計(jì)與應(yīng)用.[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2011.

[4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)(第五版)第2卷[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

Analysis and improvement of breaking reason of transmission counter shaft

Liu Xiaolei, Xiang Quanli, Sun Zhijin, Yang Lin

( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Shaanxi Xi’an 710119 )

Aiming at the problem of counter shaft fracture during the experiment of a transmission's fatigue life, this paper analyzes the cause of fracture, puts forward a design improvement scheme, and verifies the feasibility of the improvement scheme through experiments, providing important reference for the later design of transmission.

transmission; counter shaft; fracture

A

1671-7988(2018)20-87-03

U463.212+.4

A

1671-7988(2018)20-87-03

U463.212+.4

劉曉雷，男，工學(xué)碩士，主要從事汽車傳動產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.031