球籠式等速萬(wàn)向節(jié)星形套溝道剝落分析

吳望才,王水龍

(蕪湖佳先傳動(dòng)軸有限公司，安徽 蕪湖 241100)

星形套是球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的關(guān)鍵零件，星形套在鐘形殼內(nèi)部，通過(guò)鋼球在溝道中的旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)把從半軸桿傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的力矩傳遞給鐘形殼。使用過(guò)程中，星形套溝道比鐘形殼溝道更易發(fā)生磨損，且大多表現(xiàn)為剝落，故有必要對(duì)星形套溝道剝落的原因進(jìn)行分析。

1 溝道點(diǎn)蝕和剝落現(xiàn)象

球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：過(guò)星形套溝道中心的鋼球回轉(zhuǎn)中心徑D=60.46 mm，鋼球直徑Dw=17.463 mm,星形套球面直徑Dq=58.4 mm,鐘形殼球面直徑Dz=66.75 mm,保持架內(nèi)球面與星形套外球面間的配合間隙為0.04 mm,單側(cè)配合間隙β=0.02 mm。

鋼球與溝道接觸時(shí)接觸面較小，會(huì)產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。球籠式等速萬(wàn)向節(jié)在車輛行駛過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，鋼球在溝道中心部位一段距離內(nèi)不斷往復(fù)滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)并同時(shí)向溝道表面施加壓力，所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力交變循環(huán)次數(shù)超過(guò)一定限度后，溝道表面會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展形成疲勞剝落。捷達(dá)球籠95型星形套試驗(yàn)后發(fā)生的剝落如圖2所示。

圖1 球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)

圖2 星形套點(diǎn)蝕和剝落實(shí)物圖

2 剝落原因分析

剝落與正常磨損不同，金屬不是以微粒形式被磨損掉，而是以成塊形式發(fā)生剝落，造成表面凹坑，嚴(yán)重破壞溝道形狀。該現(xiàn)象破壞了鋼球在溝道表面的正常滾動(dòng)，并由此產(chǎn)生更嚴(yán)重的剝落，有時(shí)甚至導(dǎo)致鋼球表面也同步剝落。導(dǎo)致剝落的原因有：1)溝道幾何精度；2)表面粗糙度；3)材料及熱處理；4)潤(rùn)滑。

2.1 溝道幾何精度

影響溝道幾何精度的因素主要有溝道分度誤差，過(guò)星形套溝道的鋼球回轉(zhuǎn)中心O′與星形套球面中心Ox不同軸產(chǎn)生的單個(gè)溝道相對(duì)星形套外球面的位置誤差，溝道橫截面形狀誤差。

2.1.1 溝道分度誤差

球與鐘形殼和星形套的接觸如圖3所示，若其中一溝道分度誤差為0.08°，則溝道接觸點(diǎn)的位置偏差為

0.024 mm，

(1)

假設(shè)徑向游隙Gr最大值為0.03 mm，則單邊溝道接觸點(diǎn)的最大間隙為

(2)

顯然l>δmax/2,各溝道受力不均，接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力增大，易發(fā)生點(diǎn)蝕和剝落。

圖3 球籠式萬(wàn)向節(jié)球與鐘形殼和星形套的接觸示意圖

2.1.2 位置誤差

如圖4所示，假設(shè)鐘形殼球面與保持架外球面之間的徑向配合間隙中值為0.04 mm，星形套球面與保持架內(nèi)球面之間的徑向配合間隙中值為0.04 mm，則星形套球面與保持架內(nèi)球面之間的單側(cè)配合間隙值β=0.02 mm。若星形套某溝道與外球面的位置偏差s=0.04 mm，則溝道與鋼球接觸點(diǎn)位置偏差l為

圖4 星形套球面與溝道的位置關(guān)系示意圖

(3)

即l>β，接觸點(diǎn)受到擠壓，接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力增大，易發(fā)生點(diǎn)蝕和剝落。

統(tǒng)計(jì)得2001—2016年春季暴雨雨日共11 d,通過(guò)影響系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)(表1),在11次過(guò)程中,有8次暴雨都伴隨有低空切變和地面倒槽的存在;高空槽,低空急流,地面冷空氣也是重要的影響系統(tǒng);春季是冷空氣較為活躍的季節(jié),有4次過(guò)程是高空有槽東移或急流存在,中層配合切變或低空急流,而地面先為倒槽控制,之后冷空氣南下影響,冷暖空氣交匯導(dǎo)致暴雨的發(fā)生。另外東北冷渦也是非常重要的影響系統(tǒng),有4次暴雨與之有關(guān)。

2.1.3 溝道橫截面形狀誤差

溝道橫截面是圓弧形，其半徑比鋼球半徑稍大，如圖5所示。在鋼球與溝道底部接觸時(shí)，除受徑向接觸應(yīng)力外，還存在較大的剪切應(yīng)力，使溝道表面產(chǎn)生剝落。鋼球與溝道底部存在一定徑向游隙時(shí)，星形套傳遞轉(zhuǎn)矩過(guò)程中，在力的作用下，鋼球與溝道底部先發(fā)生切向滑移而后相互接觸。在傳遞轉(zhuǎn)矩過(guò)程中鋼球與溝道的接觸狀態(tài)如圖6所示。鋼球中心與溝道圓弧中心距離OO1=R1-Dw/2，令OO1=e，則圓弧溝道方程為

(4)

圖5 圓弧形溝道示意圖

圖6 在傳遞轉(zhuǎn)矩過(guò)程中鋼球與溝道的接觸狀態(tài)

2.2 表面粗糙度

星形套溝道在工作過(guò)程中因循環(huán)交變擠壓和剪切載荷導(dǎo)致產(chǎn)生接觸疲勞，而表面粗糙度對(duì)接觸表面疲勞強(qiáng)度的影響很明顯。在交變載荷作用下，零件表面微觀不平和表面缺陷都會(huì)引起應(yīng)力集中，易出現(xiàn)疲勞裂紋、點(diǎn)蝕、剝落。

2.3 材料及熱處理

材料選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致熱處理后的溝道出現(xiàn)以下缺陷：1)表面韌脆不當(dāng)，在受到接觸疲勞壓力后形成裂紋或崩塌，產(chǎn)生剝落；2)表面碳濃度過(guò)高導(dǎo)致脆性大，產(chǎn)生磨削龜裂紋，逐步形成剝落；3)熱傳導(dǎo)性能差導(dǎo)致微變形產(chǎn)生的磨損，形成剝落。

熱處理工藝不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生以下幾種導(dǎo)致剝落的缺陷：1)熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱處理微裂紋；2)因淬火過(guò)程中組織轉(zhuǎn)化形成的相變應(yīng)力導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力微裂紋；3)未及時(shí)回火導(dǎo)致殘余應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生的微裂紋；4)淬火冷卻不當(dāng)產(chǎn)生的裂紋或內(nèi)應(yīng)力未消除；5)鋼材實(shí)際含碳量超標(biāo)且溫度控制不合理導(dǎo)致的內(nèi)裂紋或表面微裂紋；6)加熱不足，保溫時(shí)間不夠?qū)е碌能淈c(diǎn)；7)表面碳濃度過(guò)高導(dǎo)致的磨削龜裂紋；8)磨削時(shí)冷卻不充分使表面局部硬度降低，導(dǎo)致磨損從局部突破形成點(diǎn)蝕、剝落；9)淬火過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)共析層+共析層比例不當(dāng)，導(dǎo)致C-N共滲層與鋼基體不能牢固結(jié)合而形成剝落。

2.4 潤(rùn)滑

球籠式等速萬(wàn)向節(jié)是終身一次性注脂維護(hù)，潤(rùn)滑脂對(duì)星形套的點(diǎn)蝕和剝落產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面：1) 油量不足。當(dāng)油脂量不足時(shí)，最大應(yīng)力處的油膜厚度不足以隔開(kāi)接觸表面，鋼球與溝道表面會(huì)因直接接觸產(chǎn)生應(yīng)力集中和剪切力。2)油脂抗高溫性能不夠。隨溫度升高，潤(rùn)滑脂表觀黏度降低，油膜厚度減小，導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜抗壓強(qiáng)度降低，接觸疲勞壽命下降。3)潤(rùn)滑脂抗壓性能不夠。若油脂中未添加極壓劑、減磨劑，則會(huì)導(dǎo)致所形成的油膜承受鋼球與星形套溝道徑向剪切及擠壓載荷的能力減弱，導(dǎo)致油膜損壞。4)潤(rùn)滑脂表觀黏度不合適。表觀黏度過(guò)大，潤(rùn)滑脂摩擦因數(shù)越大，摩擦磨損越大；表觀黏度越小，潤(rùn)滑脂在摩擦副表面附著力越小,油膜厚度及油膜強(qiáng)度都相應(yīng)減小,導(dǎo)致摩擦副表面過(guò)早剝落。

3 改進(jìn)措施

圖7 尖拱形溝道橫截面

2)溝道表面粗糙度Ra值應(yīng)在0.4～0.8 μm之間最佳。

3)對(duì)于一般經(jīng)濟(jì)車型,選擇20Cr即可滿足要求；對(duì)于較大型車及使用頻率極高,操作工況較粗放的出租車，如捷達(dá)球籠95型，選擇20CrMnTi更合適；對(duì)于越野車、跑車類，選擇20CrNiMo等性能更好的材質(zhì)。

4)95型星形套C-N共滲的淬火工藝如圖8所示。使低碳馬氏體合金結(jié)構(gòu)鋼需要合理淬火成位錯(cuò)馬氏體+板條相界殘余奧氏體薄膜+板條低溫回火析出的細(xì)小分散碳化物，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、韌、塑性的最佳組合。

圖8 20CrMnTi鋼星形套的C-N共滲淬火規(guī)范

5)油脂量需要?dú)さ撞壳缓头缐m罩腔總體積的40%～45%。以羥基脂肪酸礦物油或合成油為基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑脂，油脂抗高溫性能按照星形套接觸點(diǎn)局部溫度極限時(shí)達(dá)到150 ℃的要求，因此滴點(diǎn)應(yīng)不低于180 ℃, 應(yīng)選擇抗氧化性能好，蒸發(fā)損失小和滴點(diǎn)高的潤(rùn)滑脂。在寒冷季節(jié)的區(qū)域使用時(shí)，應(yīng)具有低啟動(dòng)力矩的潤(rùn)滑脂，如以羥基脂肪酸礦物油或合成油為基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑脂。星形套在球籠式等速萬(wàn)向節(jié)中溝道接觸點(diǎn)承受壓力最大，同時(shí)有振動(dòng)、沖擊應(yīng)力載荷，因此應(yīng)選擇加有極壓添加劑的潤(rùn)滑脂。極壓抗磨劑可以采用添加輔料MoS2或有機(jī)鉬、鈣鹽類。因星形套載荷較大且振動(dòng)較大，應(yīng)選基礎(chǔ)油黏度高，黏附性和減振性好，稠化劑含量高的潤(rùn)滑脂。采用鋰基稠化劑或復(fù)合鈣基稠化劑，工作錐入度應(yīng)為280～320(0.1 mm)，確保潤(rùn)滑脂有良好的成膜性能和強(qiáng)度。

4 應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)3年多的反復(fù)臺(tái)架試驗(yàn)并將產(chǎn)品安裝到出租車上路試驗(yàn)證，確定上述改進(jìn)措施達(dá)到改善星形套溝道點(diǎn)蝕和剝落的效果。并推廣到所有型號(hào)產(chǎn)品，均取得了滿意的效果，目前產(chǎn)品壽命完全達(dá)到歐美客戶的要求。