夾心取力器斷軸故障分析及解決方案

張 明，郭雯靜，孫振東，郭守山，張允學(xué)，許 濤

（中國第一汽車股份有限公司，吉林長春130011）

0 引言

取力器 （Power Take Off，PTO）是一組或多組變速齒輪，又稱功率輸出器，一般由齒輪箱、離合器、控制器組合而成，將動力輸出至整車上裝設(shè)備，使車輛實(shí)現(xiàn)行駛外的其他動力輸出。根據(jù)動力輸出形式的不同，通?？煞譃樽兯倨鱾?cè)部動力輸出形式、變速器前部動力輸出形式、變速器后部動力輸出形式、發(fā)動機(jī)前部動力輸出形式等。本文作者介紹的夾心取力器為發(fā)動機(jī)后部動力輸出形式，從發(fā)動機(jī)飛輪取力，可實(shí)現(xiàn)全功率輸出。主要介紹試驗(yàn)過程中，夾心取力器輸入軸斷裂的故障情況，通過材料工藝分析和CAE計算分析失效模式，對取力器結(jié)構(gòu)、工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 故障情況

整車進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時，由于夾心取力器輸入軸斷裂 （斷軸見圖1），發(fā)動機(jī)動力無法傳遞到傳動系統(tǒng)，造成車輛無法行駛。

圖1 輸入軸斷裂

夾心取力器安裝在發(fā)動機(jī)后離合器前，從發(fā)動機(jī)飛輪取力（取力器布置見圖2）。其主要功用是傳遞發(fā)動機(jī)動力到傳動系統(tǒng)，用于車輛行駛；傳遞動力到整車上裝系統(tǒng)，用于滿足車輛行駛之外的其他動力需求，可持續(xù)輸出動力，不受離合器的離合影響。取力器輸入軸前端通過扭轉(zhuǎn)減振器 （扭轉(zhuǎn)減振器見圖3）與飛輪聯(lián)接，后端與離合器聯(lián)接。動力自發(fā)動機(jī)通過扭轉(zhuǎn)減振器傳遞給取力器輸入軸，取力器輸入軸通過離合器傳遞給變速器，形成車輛行駛的動力傳遞。

圖2 取力器布置方案

扭轉(zhuǎn)減振器 （見圖3）通過螺栓安裝在發(fā)動機(jī)飛輪上，具有離合器摩擦片相同的扭轉(zhuǎn)減振功能，可減小傳動系的振動和沖擊。

圖3 扭轉(zhuǎn)減振器

2 材料工藝分析

取力器輸入軸材料為20CrMnTi，鍛打后正火處理，滲碳淬火，技術(shù)要求見表1。

表1 技術(shù)要求

對取力器輸入軸材料、熱處理進(jìn)行檢測，結(jié)果見表2。取力器輸入軸的表面硬度、心部硬度、金相組織符合技術(shù)要求，有效硬化層深偏低 （取力器輸入軸組織見圖4、圖5）。

取力器輸入軸宏觀形貌如圖6所示：在花鍵嚙合部分外側(cè)至末端過渡圓角處，花鍵受扭曲剪切應(yīng)力發(fā)生變形、開裂；花鍵末端過渡圓角處發(fā)生斷裂，斷口為多源疲勞斷口，如圖7所示。

表2 材料分析

圖4 取力器輸入軸表面組織

圖5 取力器輸入軸心部組織

圖6 輸入軸宏觀形貌

圖7 斷裂截面形貌

花鍵嚙合部分外側(cè)齒面與花鍵末端圓角處均存在疲勞裂紋，裂紋源位于花鍵齒面 （變形區(qū)疲勞源位置見圖8，扭轉(zhuǎn)載荷疲勞源形貌見圖9）。

圖8 變形區(qū)疲勞源位置

圖9 扭轉(zhuǎn)載荷疲勞源形貌

斷裂截面裂紋源位于花鍵齒面兩側(cè)圓角處，花鍵兩側(cè)的裂紋在徑向方向均已延齒根擴(kuò)展至輸入軸3／4半徑處 （徑向裂紋見圖7），在軸向方向裂紋延齒根擴(kuò)展至花鍵嚙合區(qū)外開裂部位附近 （軸向裂紋見圖10）。

根據(jù)宏觀分析，輸入軸早期失效原因?yàn)榕まD(zhuǎn)變形后疲勞開裂，花鍵齒中部及末端圓角處齒面均產(chǎn)生疲勞裂紋；花鍵齒根部為剪切開裂。

花鍵齒中部及末端圓角處裂紋由扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致；花鍵齒根部開裂由扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切應(yīng)力產(chǎn)生。分析認(rèn)為花鍵齒中部及末端圓角處裂紋是初始裂紋，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足以抵抗沖擊等工況載荷。

圖10 齒根裂紋形貌

3 負(fù)載分析

取力器輸入軸負(fù)載源于扭轉(zhuǎn)減振器。拆解扭轉(zhuǎn)減振器，發(fā)現(xiàn)限位齒兩側(cè)撞擊痕跡明顯 （撞痕見圖11），說明故障車輛的發(fā)動機(jī)沖擊扭矩超過扭轉(zhuǎn)減振器極限扭矩，扭轉(zhuǎn)減振器不能滿足故障車輛的使用工況。實(shí)測扭轉(zhuǎn)減振器極限扭矩不小于3 000 N·m（扭轉(zhuǎn)特性曲線見圖12），說明取力器的輸入扭矩出現(xiàn)了大于3 000 N·m的沖擊負(fù)荷。

圖11 扭轉(zhuǎn)減振器限位撞擊痕跡

圖12 扭轉(zhuǎn)特性曲線

4 CAE分析

對取力器輸入軸進(jìn)行CAE計算，并與已經(jīng)通過驗(yàn)證的變速器一軸對比分析，結(jié)果如表3所示，取力器輸入軸花鍵齒根及末端圓角小，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力大于變速器一軸，計算壽命小于變速器一軸 （壽命計算結(jié)果見圖 13、圖 14）。

表3 原取力器CAE分析結(jié)果

圖13 取力器輸入軸計算結(jié)果

圖14 變速器一軸計算結(jié)果

5 改進(jìn)措施

為提高取力器輸入軸使用壽命，需要減小輸入軸的承載負(fù)荷，并對取力器輸入軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，控制熱處理工藝，提高輸入軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

5.1 采用改型離合器

扭轉(zhuǎn)減振器通過螺栓安裝在發(fā)動機(jī)飛輪上，當(dāng)傳遞扭矩大于扭轉(zhuǎn)減振器極限扭矩時，扭轉(zhuǎn)減振器剛性傳扭，對取力器輸入軸不再起到減振保護(hù)作用。改型離合器同傳統(tǒng)離合器一樣由摩擦片和離合器蓋組成，沒有分離結(jié)構(gòu)。摩擦片通過離合器蓋壓緊在發(fā)動機(jī)飛輪上不分離，摩擦片通過花鍵與取力器輸入軸連接，在保留扭轉(zhuǎn)減振功能的前提下，通過摩擦片滑磨對取力器輸入軸進(jìn)行過載保護(hù) （改進(jìn)方案見圖15）。

圖15 扭轉(zhuǎn)減振改進(jìn)方案

5.2 優(yōu)化取力器輸入軸結(jié)構(gòu)及工藝

取力器輸入軸花鍵加工方式由立銑改為盤銑，增加花鍵齒根圓角及退刀圓角，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。按要求進(jìn)行熱處理，保證有效硬化層深 （輸入軸改進(jìn)方案見圖16）。

圖16 取力器輸入軸改進(jìn)方案

6 驗(yàn)證措施

6.1 CAE計算

對改進(jìn)取力器輸入軸進(jìn)行有限元計算，并與變速器一軸對比分析，結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)取力器CAE分析結(jié)果

CAE計算結(jié)果所示：改進(jìn)后取力器輸入軸花鍵齒根應(yīng)力集中現(xiàn)象改善明顯，疲勞壽命、靜強(qiáng)度均優(yōu)于變速器一軸，可滿足使用要求 （靜扭計算結(jié)果見圖17、圖18）。

圖17 取力器輸入靜扭計算結(jié)果

圖18 變速器一軸靜扭計算結(jié)果

6.2 靜扭試驗(yàn)

對取力器輸入軸原方案和改進(jìn)方案進(jìn)行靜扭試驗(yàn)對比，改進(jìn)后取力器輸入軸的抗扭能力優(yōu)于原方案，結(jié)果如表5所示。

表5 靜扭試驗(yàn)

6.3 整車試驗(yàn)

換裝改進(jìn)輸入軸的夾心取力器，整車完成全部可靠性試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

7 結(jié)束語

取力器輸入軸斷裂的原因是：扭轉(zhuǎn)減振器傳遞的扭矩超過極限，未對取力器輸入軸起到過載保護(hù)作用；取力器輸入軸花鍵齒根及末端圓角過小，有效硬化層深偏低致使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。取力器輸入軸在持續(xù)沖擊載荷作用下，扭曲變形后剪切疲勞斷裂。

通過對故障件進(jìn)行失效模式、材料工藝、有限元計算等方面分析，確認(rèn)失效原因并提出改進(jìn)方案，進(jìn)一步通過計算、試驗(yàn)驗(yàn)證解決問題。