重型萬向節(jié)十字軸總成失效原因分析

夏仁善,宗曉明,張玉鈴,朱秋生

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽 471003)

0 引言

十字軸式萬向節(jié)是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，起著傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力的作用，其優(yōu)劣直接影響整車的平穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性。十字軸萬向節(jié)主要由傳動(dòng)軸叉、十字軸、軸承、卡環(huán)和萬向節(jié)叉組成，滾針軸承安裝于十字軸與軸叉、節(jié)叉之間，起著傳遞載荷與扭矩的作用。

萬向節(jié)壽命的延長，不僅能夠節(jié)約大量的鋼材、加工設(shè)備、能源，而且可以減少汽車維修次數(shù)、提高運(yùn)輸效率、降低成本，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。但是，由于萬向節(jié)主要作用是在不同軸線上的軸之間進(jìn)行扭矩傳遞，萬向節(jié)十字軸上的滾針軸承不是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是擺動(dòng)，其載荷呈交變的周期性變化。因此，萬向節(jié)常常由于十字軸和十字軸上的滾針軸承的過早失效，無法滿足用戶對(duì)萬向節(jié)壽命的要求。

某重型萬向節(jié)十字軸總成在應(yīng)用過程中發(fā)生了失效，文中對(duì)失效件進(jìn)行了分析，通過對(duì)萬向節(jié)失效試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)工況、失效形式、失效原因、結(jié)構(gòu)參數(shù)、受力情況、材料等進(jìn)行了深入分析，提出了萬向節(jié)十字軸總成設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議及產(chǎn)品失效分析模式，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 失效現(xiàn)象

文中出現(xiàn)失效的萬向節(jié)工作扭矩為11 000 N·m，安裝夾角為7°，工作轉(zhuǎn)速為500 r/min，出現(xiàn)失效前，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為60 h。

1.1 十字軸的失效情況

圖1為十字軸滾道面失效形貌。

圖1 十字軸滾道面失效形貌

由圖1可以看出，A61、A62兩端頭油脂顏色較清，無明顯剝落痕跡，局部壓痕發(fā)黑；B61、B62接近安裝倒角處均發(fā)生明顯剝落，有滾針形狀壓痕且較深發(fā)黑，剝落面積較大，破壞較為嚴(yán)重，其中B61的剝落面積和深度較B62嚴(yán)重。該十字軸4個(gè)軸徑安裝倒角處均有不同程度的疲勞剝落出現(xiàn)。安裝倒角處及附近位置是疲勞剝落及壓痕最嚴(yán)重的地方，十字軸軸徑有嚴(yán)重疲勞剝落及壓痕，潤滑脂發(fā)黑現(xiàn)象也嚴(yán)重。

1.2 滾針的失效情況

經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中只有B61滾針發(fā)生了明顯的斷裂、擠壓變形等嚴(yán)重破壞，其余滾針外形基本完好，其典型形貌如圖2和圖3所示。

圖2 滾針破壞形貌

圖3 無明顯損傷滾針外觀形貌

結(jié)合十字軸的疲勞剝落情況，有可能滾針被安裝倒角啃傷后，轉(zhuǎn)動(dòng)受到影響，在重載作用下被擠壓變形及斷裂，而滾針的嚴(yán)重破壞又會(huì)引起軸承內(nèi)部溫度劇烈上升，即簡單的滾道剝落不會(huì)引起劇烈溫升，滾針破壞進(jìn)而與滾道發(fā)生劇烈相對(duì)擠壓等變形才是引起溫度升高的直接原因。隨著溫度的劇烈上升，潤滑脂變黑失效，疲勞剝落更嚴(yán)重，溫度更高，從而形成惡性循環(huán)。

1.3 軸套的失效情況

經(jīng)拆卸檢查，軸套內(nèi)滾道整個(gè)圓周均布滾針接觸壓印，其中B61存在明顯剝落失效現(xiàn)象，如圖4所示，另外在局部有發(fā)黑現(xiàn)象，應(yīng)為潤滑脂污染。

圖4 軸套內(nèi)滾道失效形貌

2 工作溫度變化分析

工作溫度曲線大致可分為前期磨合—穩(wěn)定—迅速升溫3個(gè)階段，前4 h為短暫的磨合階段，溫度由接近室溫迅速升高至60～70 ℃附近；從4～38 h為穩(wěn)定階段，曲線在誤差區(qū)間內(nèi)抖動(dòng)；從38 h至最終失效為迅速升溫階段，時(shí)長約22 h，在該階段中溫度呈持續(xù)、快速上升趨勢(shì)，說明萬向節(jié)內(nèi)部發(fā)生了明顯的失效變化。工作溫度曲線如圖5所示。

圖5 工作溫度曲線

3 零件尺寸檢測(cè)

3.1 十字軸

對(duì)十字軸總長、軸徑等進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，尺寸符合圖樣技術(shù)要求，未發(fā)生明顯變形或磨損情況。

3.2 滾針

對(duì)滾針直徑和表面凸度輪廓進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，直徑抽樣檢測(cè)結(jié)果見表1。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，滾針直徑符合圖樣技術(shù)要求。

表1 滾針直徑抽樣檢測(cè)結(jié)果 單位：mm

3.3 軸套

經(jīng)隨機(jī)抽樣檢測(cè)，軸套內(nèi)徑測(cè)量結(jié)果(測(cè)點(diǎn)：端口向內(nèi)10 mm)見表2。檢測(cè)儀器為D923內(nèi)徑檢查儀。由于內(nèi)徑較小且只有單邊開孔，測(cè)頭最大檢測(cè)深度為11 mm，因此選擇深度為10 mm處作為直徑檢測(cè)位置，如圖6所示。

表2 萬向節(jié)軸套內(nèi)徑測(cè)量結(jié)果 單位:mm

圖6 軸套內(nèi)徑檢測(cè)位置示意

從表2所列檢測(cè)結(jié)果可以看出，測(cè)量位置直徑偏差范圍達(dá)到了0.011～0.064 mm，與軸承游隙相當(dāng)，這說明軸套內(nèi)徑發(fā)生了較大的橢圓變形。

4 失效原因分析

4.1 安裝倒角影響

分析其原因認(rèn)為軸承在壓裝過程中，由于過盈量的存在，軸套內(nèi)徑發(fā)生了橢圓變形，進(jìn)而擴(kuò)大了承載區(qū)域，導(dǎo)致安裝倒角附近滾針也承載，并使安裝倒角附近滾針單位長度上載荷遠(yuǎn)大于其本身所承受的載荷，最初發(fā)生壓痕現(xiàn)象，隨著試驗(yàn)時(shí)間增加，壓痕越來越深，最終發(fā)生疲勞剝落或嚴(yán)重的疲勞剝落且伴隨有壓痕、個(gè)別滾針的斷裂等。另外原因也有可能是安裝倒角附近的滾針在運(yùn)動(dòng)過程中，首先被安裝倒角的尖棱啃傷，運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)障礙，造成疲勞剝落，這從個(gè)別滾針的斷裂、變形及啃傷情況可看出。同時(shí)由于倒角邊緣載荷的應(yīng)力集中效應(yīng)，也有可能導(dǎo)致該處出現(xiàn)了不該有的早期疲勞剝落現(xiàn)象，進(jìn)而誘發(fā)其他部位進(jìn)一步破壞。而倒角尺寸的不穩(wěn)定性可能是導(dǎo)致軸承失效時(shí)間離散度大的原因之一。理論計(jì)算與實(shí)際工作情況下，滾針與十字軸滾道的接觸范圍對(duì)比如圖7所示。由圖7可以看出，理論計(jì)算承載的滾針數(shù)量要小于實(shí)際工作時(shí)滾針的數(shù)量，這就使得軸承承載區(qū)域的范圍超出了180°，導(dǎo)致安裝倒角附近滾針也承載，從多數(shù)失效的十字軸軸頭疲勞剝落可證實(shí)。

圖7 理論計(jì)算與實(shí)際工作情況下滾針與十字軸滾道的接觸范圍對(duì)比

4.2 軸套變形影響

從軸套內(nèi)徑測(cè)量結(jié)果可以看出，軸套內(nèi)徑偏差范圍達(dá)到了0.011～0.064 mm，與軸承游隙相當(dāng)，說明軸套內(nèi)徑發(fā)生了較大的橢圓變形，進(jìn)而擴(kuò)大了承載區(qū)域，導(dǎo)致安裝倒角附近滾針也承載，進(jìn)而導(dǎo)致安裝倒角附近滾針發(fā)生疲勞剝落，其具體原因如前述。

4.3 溫度曲線驗(yàn)證

從傳動(dòng)軸軸承的試驗(yàn)溫度曲線可以看出，萬向節(jié)試驗(yàn)大致可分為前期磨合—穩(wěn)定—迅速升溫3個(gè)階段。前4 h為短暫的磨合階段，溫度由接近室溫迅速升高至60～70 ℃附近，然后趨于穩(wěn)定，溫度在小范圍內(nèi)抖動(dòng)，上下差別不大，這是軸承正常的工作情況。最后階段為迅速升溫階段，溫度呈持續(xù)、快速上升趨勢(shì)，說明萬向節(jié)內(nèi)部已發(fā)生了明顯的疲勞剝落、壓痕等失效變化。

5 結(jié)語

從重型萬向節(jié)軸承失效形式看，萬向節(jié)主要失效現(xiàn)象為安裝倒角及附近發(fā)生了疲勞剝落或嚴(yán)重的疲勞剝落且伴隨有壓痕、個(gè)別滾針的斷裂等，其原因主要是由安裝倒角和裝配壓裝引起軸套的橢圓變形。

在不影響安裝情況下，萬向節(jié)十字軸軸頭盡量不要設(shè)計(jì)加工安裝倒角；另外在壓裝軸套防止其與撥叉發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，盡量減小裝配的過盈量或增大軸套壁厚以避免失效的發(fā)生。