萬向節(jié)十字軸失效分析及優(yōu)化設(shè)計

金兄珍，馮賢

萬向錢潮股份有限公司 浙江杭州 311215

萬向節(jié)是實現(xiàn)變角度動力傳遞的機件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，是汽車驅(qū)動系統(tǒng)的萬向傳動裝置的關(guān)鍵部件。

數(shù)字化有限元分析工具，方便產(chǎn)品設(shè)計工程師實現(xiàn)精準化、數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計，加快了產(chǎn)品開發(fā)進程，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期及樣品投料進行實體試驗成本。本文通過該產(chǎn)品十字軸失效分析及CAE有限元設(shè)計優(yōu)化，達到設(shè)計優(yōu)化改進的目的。

十字軸失效分析

客戶反饋某萬向節(jié)壽命達不到主機廠新車型的要求，該萬向節(jié)十字軸借用老產(chǎn)品。該老產(chǎn)品十字軸是20世紀90年代設(shè)計的，供通用公司配套，一直沿用至今?？蛻糁饕紤]新車型的節(jié)型限制，選擇該款萬向節(jié)十字軸。客戶在原試驗基礎(chǔ)上增加了總成反向扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，加載扭矩增加了5%，雖然零件支持力滿足要求，但是，萬向節(jié)十字軸發(fā)生軸頸部位斷裂提前失效。

1.顯微組織分析

技術(shù)質(zhì)量專家檢查了失效樣件中的十字軸零件，對其進行顯微組織分析。

對失效件進行金相制樣，硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用金相顯微鏡進行放大至500X檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，十字軸軸頸表面組織為回火針狀馬氏體5級，殘余奧氏體5%和少量碳化物1級；軸頸根部斷裂處金相組織為回火針狀馬氏體5級（見圖1），殘余奧氏體5%和少量碳化物1級；心部組織為低碳馬氏體（見圖2）。

圖1 表面組織

圖2 心部組織

將軸頸部分安裝固定好后，進行拋光，根據(jù)橫切面的顯微硬度，得出滲碳淬硬層深度為1.422mm，表面硬度59.5HRC，心部硬度為44.5HRC，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷或不正常的特征，金相組織和材質(zhì)均符合工程圖樣技術(shù)要求。

2.分析討論

失效件萬向節(jié)十字軸金相檢測心部硬度達到正常檢測的數(shù)據(jù)偏上差，可能是十字軸使用了含C量更高的碳鋼導(dǎo)致的結(jié)果。因為十字軸從表面到心部間硬度的不同且呈逐漸下降趨勢，較高的心部硬度也會影響有效滲碳層深度，并會使其有效滲碳層深度偏高。較高的心部硬度也會降低由滲碳過程產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力，加之反向扭轉(zhuǎn)疲勞試驗加載扭矩的增加，這有可能會加快促使早期失效[1]。

3.改進措施

因十字軸心部硬度與滲碳層為技術(shù)要求規(guī)定允許范圍的上限值，故對滲碳淬火熱處理要求進行內(nèi)控管理，以預(yù)防高心部硬度及較厚滲碳層的出現(xiàn)。過程內(nèi)控調(diào)整后準備進行試樣。除此之外，對該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況進行分析研究，尋找改進的機會。

有限元分析與優(yōu)化

1.原十字軸應(yīng)力分布及優(yōu)化調(diào)整

對該十字軸進行理論上分析，結(jié)合多年的經(jīng)驗，該十字軸設(shè)計基本已達到較好狀態(tài)，但由于裝叉的空間限制，故無法加大十字軸實體，以增強萬向節(jié)的強度。利用三維軟件對該產(chǎn)品十字軸進行了CAE有限元分析，得到十字軸應(yīng)力分布，如圖3所示。

圖3 原十字軸的應(yīng)力分布

從圖3可以看到，該產(chǎn)品應(yīng)力分布均勻，設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，可以使材料利用率更高。應(yīng)力最大值在十字軸臺肩R處，其次是在毛坯開檔R處，而該兩處強度比較低，正是客戶反饋斷裂的部位。

臺肩R處最大應(yīng)力值為629MPa，剛好小于許用應(yīng)力值630MPa，處于臨界狀態(tài)，該軸所能承受的最大工作載荷隨著加載扭矩的提升，失效的概率也極大地提升。

為提高強度，對應(yīng)力分布集中部位進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對軸頸臺階和軸頸毛坯兩處進行調(diào)整改進。適當加大萬向節(jié)十字軸該兩處的圓角R，并考慮軸承油封配合尺寸。

具體調(diào)整為：臺階處過渡圓弧R0.5mm優(yōu)化為R1.5mm，R0.3mm優(yōu)化為R0.8mm；臺階處長度相應(yīng)調(diào)整；毛坯開檔處圓弧R6mm優(yōu)化為R10mm。優(yōu)化模型如圖4所示。

圖4 優(yōu)化模型

2.優(yōu)化后十字軸有限元分析

十字軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要分步建模，進行CAE有限元分析[2，3]。

1）十字軸臺肩處R結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后進行三維建模，得到十字軸改進結(jié)構(gòu)三維模型并進行CAE有限元分析，優(yōu)化后的應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 臺肩處R優(yōu)化后的應(yīng)力分布

從圖5中可看出，最大應(yīng)力在十字軸毛坯開檔R處，最大應(yīng)力值為574MPa，遠小于許用應(yīng)力值，相對原十字軸模型的最大應(yīng)力值減小了55MPa。十字軸臺階R優(yōu)化改進后，相對于原十字軸模型的承載能力提高了9.6%。臺肩處R尺寸調(diào)整后，應(yīng)力集中情況有了明顯改善。

2）對萬向節(jié)十字軸臺肩處R改進并對毛坯開檔處R優(yōu)化設(shè)計后，再次進行三維建模后CAE有限元分析，得到應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 臺肩處R和毛坯開檔R優(yōu)化后應(yīng)力分布

從圖6中可看出，應(yīng)力最大值在十字軸臺肩處，但其應(yīng)力值減小至514MPa，相對原萬向節(jié)十字軸模型的最大應(yīng)力值減小了115MPa，低于許用應(yīng)力值630MPa，并有一定的安全系數(shù)空間。進一步優(yōu)化毛坯開檔處R后的十字軸模型，相對于原十字軸模型的承載能力提高了22.4%。由此證明，臺肩處R尺寸和毛坯開檔處R優(yōu)化后，產(chǎn)品的應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中情況有了明顯改善。

3.樣品試制及性能檢測

根據(jù)上述分析結(jié)果，選擇較好的優(yōu)化設(shè)計方案進行試制樣品，裝配成萬向節(jié)成品后，隨機抽了3套萬向節(jié)總成送往技術(shù)中心汽車零部件國家級實驗室作扭轉(zhuǎn)疲勞壽命測試。

測試結(jié)果表明，3套試件扭轉(zhuǎn)疲勞壽命均達到26萬次循環(huán)，試驗后萬向節(jié)十字軸未損壞，試驗節(jié)叉損壞，超出行業(yè)標準JB/T8925-2019《滾動軸承 汽車萬向節(jié)十字軸總成技術(shù)條件》扭轉(zhuǎn)疲勞壽命20萬次循環(huán)的要求，并且達到客戶24萬次循環(huán)的要求，表明改進后的萬向節(jié)完全達到了客戶的要求。

結(jié)語

通過對該萬向節(jié)十字軸運用三維設(shè)計和CAE有限元分析技術(shù)進行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、驗證，使萬向節(jié)十字軸承載能力提高了22.4%，通過了扭轉(zhuǎn)疲勞壽命測試并達到了客戶要求。

通過三維設(shè)計與CAE有限元分析優(yōu)化，大大縮短了設(shè)計開發(fā)周期，節(jié)約了重復(fù)試驗的周期與成本，且該改進后十字軸材料質(zhì)量未增加，臺階R及相關(guān)過渡R及長度的優(yōu)化設(shè)計，通過數(shù)控程序控制加工，加工成本無上升。