某工程車輪邊減速機(jī)行星架斷裂分析與改進(jìn)

關(guān)鶴 張衡 范友航 李明志

摘要：針對(duì)某工程車輛輪邊減速機(jī)輸出行星架在緊急制動(dòng)中斷裂的問(wèn)題，對(duì)行星架斷裂處進(jìn)行顯微組織觀測(cè)和機(jī)械性能檢測(cè)，利用有限元軟件對(duì)行星架在緊急制動(dòng)條件下的受力狀況進(jìn)行分析，結(jié)果表明在行星架斷裂處產(chǎn)生了應(yīng)力集中且氮化對(duì)沖擊韌度造成了影響。根據(jù)分析結(jié)果，從結(jié)構(gòu)、加工工藝、熱處理等方面對(duì)行星架的機(jī)械性能進(jìn)行改善，改善后行星架的機(jī)械性能得到了提升，滿足使用條件。該改進(jìn)方法可為提高行星架強(qiáng)度提供參考。

Abstract： Aiming at the fracture problem of the planet carrier of a wheel reducer under emergency braking conditions， through the microstructure observation and mechanical performance testing of the fractured part of the planet carrier， the stress of the planet carrier under emergency braking conditions is analyzed by using the finite element software. The results show that stress concentration occurs at the break of the planet carrier and nitrogen treatmentaffects impact toughness. According to the analysis results， the mechanical properties of the planetary carrier are improved from the aspects ofraw materials， processing technology， heat treatment. The improved mechanical properties of the planet carrier have been improved to meet the emergency braking conditions.

關(guān)鍵詞：行星架;斷裂分析;機(jī)械性能改善

Key words： planet carrier;fracture analysis;improvement of mechanical properties

中圖分類號(hào)：TJ812+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0144-03

0? 引言

輪邊減速機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于重型工程車輛的減速裝置，尤其是以電動(dòng)礦車、電動(dòng)牽引車等為代表的新能源工程車輛。其主要結(jié)構(gòu)為二級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，行星架為該裝置的關(guān)鍵零部件。某工程車輛額定載重為190噸，滿載時(shí)最高時(shí)速22km/h，日常工況需要頻繁的啟停，車輛在運(yùn)行五千余公里時(shí)，在一次滿載緊急制動(dòng)情況下，車輛右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪輪邊減速機(jī)行星架出現(xiàn)斷裂故障，斷裂部位位于二級(jí)行星架輸出端花鍵軸軸頸根部。本文通過(guò)對(duì)行星架斷裂位置進(jìn)行微觀組織檢測(cè)與機(jī)械性能測(cè)試，得到了導(dǎo)致發(fā)生斷裂的原因，結(jié)合有限元仿真結(jié)果，對(duì)行星架的結(jié)構(gòu)、加工工藝及熱處理進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后行星架的機(jī)械性能得到了提升，經(jīng)過(guò)裝車實(shí)際驗(yàn)證滿足了車輛滿載緊急制動(dòng)的使用條件。

1? 緊急制動(dòng)狀態(tài)下行星架有限元力學(xué)仿真

1.1 行星架結(jié)構(gòu)圖

圖1為輪邊減速機(jī)行星架結(jié)構(gòu)圖，該行星架斷裂部位在輸出端，位于輸出花鍵軸徑根部R2圓角部位，輸出花鍵軸頸為Φ200mm，R2圓角為花鍵軸與行星架本體的過(guò)渡部位。

1.2 緊急制動(dòng)狀態(tài)有限元仿真

輪邊減速機(jī)的電機(jī)額定功率P=330kW，傳動(dòng)效率η取0.9，緊急制動(dòng)前行星架轉(zhuǎn)速為55.3rpm，根據(jù)電機(jī)特性，緊急制動(dòng)狀態(tài)下行星架的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的2.0～2.5倍，本計(jì)算取值2.5倍，可以計(jì)算行星架在緊急制動(dòng)狀態(tài)下承受的極限轉(zhuǎn)矩值。

由式（1）得在緊急制動(dòng)狀態(tài)下，行星架輸出軸端承受的轉(zhuǎn)矩T=128225N·m。使用有限元軟件Ansys Workbench對(duì)緊急制動(dòng)時(shí)行星架的受力狀況進(jìn)行分析，仿真使用的材料參數(shù)如表1所示。

圖2為提取的行星架緊急制動(dòng)狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)。從應(yīng)力分布云圖可以看出，緊急制動(dòng)狀態(tài)下行星架輸出花鍵軸頸處應(yīng)力最大，達(dá)到了450MPa，低于42CrMo的屈服極限500MPa，理論安全系數(shù)為1.11，說(shuō)明42CrMo材料能滿足行星架緊急制動(dòng)工況下的極限扭矩。但是從應(yīng)力云圖可得，行星架輸出花鍵軸頸根部R2圓角存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

長(zhǎng)期承受緊急制動(dòng)工況下，行星架R2圓角部位會(huì)產(chǎn)生累計(jì)塑性變形，如果R2圓角部位存在車削刀紋，車削刀紋可能會(huì)轉(zhuǎn)化為裂紋，從而引起斷裂[1]。

2? 行星架斷裂截面理化檢測(cè)分析

2.1 斷裂原因宏觀分析

斷裂位置位于行星架Φ200mm軸頸根部R2圓角部位，經(jīng)觀察R2圓角部位發(fā)現(xiàn)有車削刀紋，行星架斷口形貌如圖3所示，斷口呈多源疲勞斷裂，斷裂面A區(qū)出現(xiàn)明顯的疲勞臺(tái)階。如圖4所示，斷裂區(qū)截面呈45°角鋸齒狀，根據(jù)材料力學(xué)強(qiáng)度理論，材料在45°截面內(nèi)的剪切應(yīng)力最大，如果在該方向上剪切力超過(guò)了材料的極限剪切強(qiáng)度，便會(huì)發(fā)生剪切破壞[2]。因此得出引起行星架發(fā)生斷裂的原因是輸出花鍵軸頸根部剪切強(qiáng)度不夠。

2.2 顯微組織分析

為了解材料內(nèi)部的金相組織情況，為后續(xù)改進(jìn)材料的力學(xué)性能提供依據(jù)，選取近斷口處軸徑的橫截面，依據(jù)GB/T 226-2015進(jìn)行低倍組織及缺陷分析，在低倍酸蝕的整個(gè)橫截面上無(wú)內(nèi)部氣泡、非金屬夾雜物（肉眼可見(jiàn)）及夾渣、異金屬夾雜物、翻皮、白點(diǎn)缺陷，如圖5、圖6所示。同時(shí)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，檢驗(yàn)結(jié)果為：細(xì)系：A0.5，B0.5，C0，D0;粗系：A0e，B0e，C0e，D0e，可見(jiàn)原材料非金屬夾雜物均未超標(biāo)。

2.3 機(jī)械性能檢測(cè)

為了找出行星架斷裂的原因，對(duì)行星架材料機(jī)械性能進(jìn)行檢測(cè)，該行星架材料為42CrMo，技術(shù)要求為調(diào)質(zhì)硬度280～320HBS，氮化層有效深度≥0.4mm，氮化表面硬度≥600HV。從行星架基體取樣，取樣位置為斷裂件本體1/4D部位，進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-2015，機(jī)械性能中沖擊功實(shí)測(cè)值為35J，低于標(biāo)準(zhǔn)值55J，抗沖擊性能不合格。

選取與此斷裂行星架同一爐次的42CrMo鍛件，制作6組尺寸為11mm×11mm×60mm的試樣進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，選取3個(gè)加工成標(biāo)準(zhǔn)U型沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)得沖擊值為88J、75J、78J，平均值為80.3J;同時(shí)將調(diào)質(zhì)后的另外3個(gè)沖擊試樣，按照行星架的氮化要求進(jìn)行氮化處理，然后加工成標(biāo)準(zhǔn)U型沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)得沖擊值為48J、44J、44J，平均值為45.3J，如表3所示，可見(jiàn)氮化處理對(duì)試樣的沖擊值影響十分顯著，由此可得整體氮化處理引起行星架材料沖擊韌度的下降[3]。

綜上分析，引發(fā)行星架斷裂的原因有行星架花鍵軸根部R2圓角部位存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，且該部位承受的瞬時(shí)沖擊載荷較大，同時(shí)氮化處理后沖擊韌度的下降與行星架圓角部位殘留的車削刀紋，增加了表面缺口敏感性[4]。

3? 改進(jìn)方案

針對(duì)上述兩個(gè)原因，對(duì)行星架進(jìn)行以下優(yōu)化改進(jìn)：

①將輸出花鍵軸頸根部R2圓角加大為R6圓角，并增加車削后拋光工序，使R6圓角表面光潔度達(dá)到Ra1.6，以避免車削刀紋造成應(yīng)力集中現(xiàn)象[5]。對(duì)改進(jìn)后的行星架進(jìn)行有限元分析，假設(shè)其所受載荷不變，應(yīng)力云圖如圖7所示，所受最大應(yīng)力為295MPa，較之前的最大應(yīng)力450.35MPa降低了34.33%，效果明顯：

②取消行星架的氮化處理工藝，改為對(duì)輸出花鍵部位高頻感應(yīng)淬火處理，感應(yīng)淬火后回火去應(yīng)力。處理后的花鍵齒面硬度可達(dá)到50～55HRC，滿足行星架技術(shù)要求。改進(jìn)后的行星架加工工藝流程為：鍛后正火-粗車-粗銑鏜-調(diào)質(zhì)處理-精車-拋光圓角-精銑鏜-插齒-花鍵感應(yīng)淬火-去應(yīng)力。

4? 結(jié)論

本文對(duì)緊急制動(dòng)狀態(tài)下輪邊減速機(jī)行星架的斷裂故障進(jìn)行了研究，分析了行星架的斷裂截面形貌，對(duì)行星架機(jī)械性能進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)有限元仿真實(shí)驗(yàn)，最后得出導(dǎo)致該行星架斷裂的原因是：緊急制動(dòng)狀態(tài)下行星架軸頸根部R2圓角部位受到了較大的瞬時(shí)沖擊載荷，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)由于行星架經(jīng)過(guò)氮化處理后沖擊韌度的下降與R2圓角部位存在車削刀紋，增加了表面缺口敏感性，刀紋轉(zhuǎn)化成裂紋，引起斷裂。針對(duì)上述原因，將行星架從結(jié)構(gòu)、加工工藝、熱處理工藝方面進(jìn)行優(yōu)化：將軸頸根部圓角R2加大為R6，并在車削后增加拋光工序，使圓角表面光潔度達(dá)到Ra1.6，將氮化改為花鍵表面高頻感應(yīng)淬火，淬火后去應(yīng)力。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的行星架裝車后已運(yùn)行八千余公里，在經(jīng)歷多次滿載緊急制動(dòng)狀況后行星架未發(fā)現(xiàn)異常。

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