汽車升降機驅(qū)動軸斷裂的分析

□ 蔣 萍 □ 戴衛(wèi)剛 □ 李鋒寶 □ 張華兵 □ 舒 瑤 □ 蔣正兵

天奇自動化工程股份有限公司 江蘇無錫 214000

1 分析背景

在汽車生產(chǎn)車間,汽車車身一般通過纏繞在汽車升降機滾筒上的皮帶帶動滑架實現(xiàn)上下運輸,滾筒通過脹套與驅(qū)動軸相連。驅(qū)動軸是汽車升降機動力傳動系統(tǒng)的重要組成部分,如果驅(qū)動軸斷裂,將會影響汽車升降機的正常使用,整條生產(chǎn)線可能停工?？梢?驅(qū)動軸的使用壽命非常有意義。文獻[1-3]通過理化檢驗分析了軸斷裂的主要原因是留有刀痕,或熱處理工藝不合理造成脆性斷裂。文獻[4-5]通過有限元方法分析了三種常用的脹套連接驅(qū)動滾筒和三種不同形狀的傳動滾筒。當(dāng)然,實際情況遠不止加工粗糙那么簡單。汽車升降機傳動滾筒經(jīng)歷設(shè)計、購買原材料、加工、熱處理多個環(huán)節(jié),并且采用重載脹套,啟動及停止階段,以及突然停電時的運行情況要比平穩(wěn)運行情況惡劣。針對汽車升降機驅(qū)動軸斷裂,筆者進行宏觀形貌觀察、金相組織識別、化學(xué)成分分析、硬度測試等理化檢驗,建立滾筒和重載脹套的受力模型,結(jié)合有限元分析,判斷驅(qū)動軸斷裂原因,提出改進措施。

2 汽車升降機驅(qū)動軸概述

汽車生產(chǎn)線不同高度的轉(zhuǎn)載處通常設(shè)有汽車升降機,汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)是控制汽車升降機上升、下降的關(guān)鍵設(shè)備,主要包括減速電機、聯(lián)軸器、驅(qū)動軸、滾筒,以及兩端的軸承座等,如圖1所示。減速電機是減速機與電機的集成體,常用于起重設(shè)備減速傳動。減速電機與驅(qū)動軸之間由聯(lián)軸器連接,滾筒內(nèi)側(cè)兩端與驅(qū)動軸配合處均有脹套壓緊,使驅(qū)動軸和滾筒的轉(zhuǎn)速保持一致。驅(qū)動軸主要承受聯(lián)軸器傳遞的扭矩及滾筒上皮帶的作用力等。某項目汽車升降機驅(qū)動軸的材質(zhì)為45號鋼,技術(shù)要求調(diào)質(zhì)處理。使用一段時間后,驅(qū)動軸突然斷裂,斷口位于脹套與驅(qū)動軸銜接處。

3 理化檢驗

3.1 斷口宏觀形貌觀察

驅(qū)動軸斷面如圖2所示。從斷口宏觀形貌看,驅(qū)動軸發(fā)生多裂源疲勞斷裂[6]。驅(qū)動軸外邊緣A區(qū)為初始裂紋源,形態(tài)不規(guī)則,沿著脹套3/4圈有撕裂痕跡,這些裂痕取向各異,與減速電機扭轉(zhuǎn)及皮帶牽引等有關(guān),由橫向和縱向剪切導(dǎo)致。B區(qū)面積較大,較為光滑平整,可見貝殼輝紋[7],為擴展裂紋,B區(qū)部分放大如圖3所示。C區(qū)位于驅(qū)動軸中心和邊緣之間,裂紋呈波浪狀,表面非常毛糙,屬于瞬斷裂紋。D區(qū)有紅棕色氧化層,45號鋼主要成分是鐵,長期暴露在潮濕的空氣中會生成紅棕色氧化鐵,判斷可能是疲勞斷裂過程中產(chǎn)生的。

3.2 斷口金相組織識別

斷口金相組織如圖4所示。在100倍光學(xué)金相顯微鏡下觀察組織結(jié)構(gòu),邊緣及距離邊緣30 mm處的金相組織均為珠光體和鐵素體[8],鐵素體呈細(xì)針狀和帶狀傾向,這種帶狀組織缺陷有向中心部位增大的趨勢,使鋼材的組織不均勻,產(chǎn)生呈各向異性,影響鋼材的性能,使鋼材容易變形。另一方面,從邊緣向中心部位未發(fā)現(xiàn)明顯的回火索氏體。在500倍光學(xué)金相顯微鏡下觀察,鐵素體基體內(nèi)沒有分布均勻的細(xì)小碳化物顆粒,即未見回火索氏體,說明45號鋼并非調(diào)質(zhì)處理。

3.3 化學(xué)成分分析

金相組織反映了驅(qū)動軸內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)。未出現(xiàn)大小均勻的回火索氏體金相組織,原因可以從內(nèi)因和外因兩方面進行分析,對應(yīng)驅(qū)動軸的化學(xué)成分和熱處理情況。

筆者取幾處斷裂驅(qū)動軸試樣,經(jīng)光譜儀檢測,得到驅(qū)動軸的化學(xué)成分,見表1。相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值不超過5%,說明檢測精度可信,可知采購的45號鋼材質(zhì)沒有問題。

3.4 硬度測試

45號鋼調(diào)質(zhì)處理后的硬度與截面尺寸、高溫回火溫度、回火穩(wěn)定性等有關(guān),因此,硬度測試也能評估驅(qū)動軸調(diào)質(zhì)處理是否合理。受條件限制,采用洛氏硬度(HRC)測試儀檢測,檢測結(jié)果見表2。在驅(qū)動軸試樣起始位置584 μm處用金剛石壓頭加載1 500 N,保持5 s,通過驅(qū)動軸試樣表面壓痕深度計算驅(qū)動軸的實測洛氏硬度(HRC)約為13。查機械手冊可知直徑200 mm以內(nèi)的45號鋼軸調(diào)質(zhì)處理后的布氏硬度(HB)為 217～255,換算為洛氏硬度(HRC)最小約為18。對比可知,驅(qū)動軸硬度不達標(biāo),說明調(diào)質(zhì)處理不合格。

表1 驅(qū)動軸成分

表2 驅(qū)動軸硬度檢測結(jié)果

4 驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)值分析

4.1 滾筒受力模型

升降機上皮帶沿作用弧的張力在極坐標(biāo)中呈對數(shù)螺旋線分布[9]。滾筒上皮帶受力如圖5所示。結(jié)合圖5,根據(jù)歐拉公式,有:

Sj/Ss≤eμα

(1)

式中:Sj為皮帶緊邊拉力;Ss為皮帶松邊拉力;μ為皮帶與滾筒之間摩擦因數(shù);α為滾筒上皮帶圍包角。

對于圍包角中的任意一個角度β,滾筒上的正壓力P為:

(2)

式中:S為皮帶角β處的拉力;r為滾筒半徑;b為皮帶寬度。

另外,根據(jù)正壓力也可以計算出滾筒表面與皮帶的摩擦力。

4.2 脹套模型

脹套分為多種類型,其中Z12型脹套主要用于重載場合。某升降機驅(qū)動系統(tǒng)中Z12型脹套如圖6所示,可知Z12型脹套主要包括兩個內(nèi)環(huán)、一個外環(huán),內(nèi)外環(huán)間通過螺栓預(yù)緊。脹套右側(cè)內(nèi)環(huán)受力和外環(huán)受力分別如圖7、圖8所示。脹套的兩個內(nèi)環(huán)均與軸配合,如果外環(huán)的內(nèi)表面和軸接觸,則會出現(xiàn)過定位,不利于脹套的使用。現(xiàn)場實物發(fā)現(xiàn)外環(huán)內(nèi)表面與軸尚有一較小間隙,因此外環(huán)與軸不直接產(chǎn)生作用力。

Pa為螺栓擰緊過程中產(chǎn)生的預(yù)緊力,是消除脹套與被連接件配合間隙所需的夾緊力及配合面間產(chǎn)生一定壓強所需的有效夾緊力之和。F1為軸對脹套內(nèi)環(huán)的正壓力N1和內(nèi)環(huán)與軸間摩擦力f1的合力,F2為脹套外環(huán)對內(nèi)環(huán)正壓力N2和內(nèi)外環(huán)之間摩擦力f2的合力,f1與F1的夾角為θ,內(nèi)外環(huán)配合面與Pa的夾角為φ。運動時脹套與軸、滾筒相對靜止,為了方便計算,考慮鋼與鋼摩擦,靜摩擦因數(shù)均取0.12,即f1為0.12N1,arctanθ為0.12,由力平衡關(guān)系[10]可得:

(3)

(4)

式中:Rl為每個脹套與滾筒接合面上的實際壓強;D為脹套外徑;h為脹套外環(huán)高度。

(5)

式中:Rz為每個脹套與軸接合面上的實際壓強;d為脹套內(nèi)徑;l為脹套內(nèi)環(huán)高度。

另外,可以根據(jù)脹套承載能力判斷實際選型是否合理[11]。

mMz≥M

(6)

式中:m為根據(jù)脹套使用情況選擇的載荷因數(shù),兩脹套為獨立使用,并非串聯(lián)使用,查表知m取1;Mz為單個脹套的額定轉(zhuǎn)矩;M為實際最大轉(zhuǎn)矩。

(7)

式中:Fz為單個脹套的額定軸向力;Fx為實際最大軸向力。

(8)

式中:Pz為單個脹套與軸配合面上的許用壓強;Fr為實際最大徑向力。

(9)

式中:Dl為與脹套相連的滾筒法蘭盤外徑;σs為滾筒材質(zhì)屈服強度;Pl為單個脹套與滾筒接合面上的許用壓強;C為根據(jù)脹套滾筒接合形式選取的因數(shù),滾筒內(nèi)側(cè)有限位臺階,C取0.8。

4.3 有限元分析

根據(jù)與脹套配合的驅(qū)動軸段直徑和負(fù)載情況,選擇Z12型脹套的尺寸為140 mm×190 mm,查JB/T 7934—1999《脹緊聯(lián)結(jié)套 型式與基本尺寸》,可知額定轉(zhuǎn)矩為59 kN·m,減速電機輸出扭矩為6.69 kN·m,滿足式(6)的要求。另外,經(jīng)過計算得到脹套符合式(7)、式(8)的要求,由式(9)得Dl不小于298 mm。已知滾筒法蘭盤外徑為338 mm,所以脹套選型合理,連接可靠。脹套主要載荷見表3,可用于后續(xù)分析。

表3 脹套主要載荷

近年來,數(shù)值模擬受到青睞,可以方便設(shè)計人員找出設(shè)計問題[12-14]。筆者擬對簡化的汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)進行有限元分析。

汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)共有四根皮帶,兩根在驅(qū)動側(cè),連接滑架與配重,兩根連接驅(qū)動側(cè)的配重與從動側(cè)的滑架,圍包角為180°,皮帶寬為0.25 m。正常運行時,減速電機輸出扭矩恒定,滾筒受力均勻。突然停電時,減速電機啟動抱閘制動器,工況要比正常停止時惡劣,因而針對停止工況分析時選急停工況更為合適。

對簡化的汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)進行網(wǎng)格劃分。脹套內(nèi)環(huán)采用掃略網(wǎng)格,其它零部件采用六面體網(wǎng)格,大大減少了單元生成的數(shù)量,并采用Solid186單元模擬實體。汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖9所示。在軸承座和驅(qū)動軸的配合面處施加約束[15],脹套和滾筒法蘭盤、驅(qū)動軸之間分別建立接觸對,滾筒法蘭盤和滾筒外圈為焊接結(jié)構(gòu),可看作一體。在滾筒表面施加載荷時,通過Function函數(shù)定義變載荷。啟動狀態(tài)和正常工作時,施加扭矩方向與滾筒受到的切向摩擦力方向相反。急停時,減速電機輸出抱閘扭矩,阻止驅(qū)動軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動,因而扭矩施加方向與滾筒受到的切向摩擦力方向相同。

汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)啟動時、正常工作時、急停時的等效應(yīng)力云圖依次如圖10、圖10、圖12所示。汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在脹套上,位于和驅(qū)動軸的外配合處,急停時數(shù)值最大,為493.83 MPa。脹套為外購件,材質(zhì)一般為合金結(jié)構(gòu)鋼,加工精度高,所以通常先損壞的是驅(qū)動軸。正常工作時,驅(qū)動軸與脹套銜接處局部等效應(yīng)力最大,為330.28 MPa。啟動時,驅(qū)動軸相應(yīng)部位最大等效應(yīng)力為346.43 MPa。隨著使用時間的增加,如果聯(lián)軸器不能保證及時潤滑,也會產(chǎn)生不同程度的附加載荷。雖然車間突然停電的概率很低,但是從分析結(jié)果看,驅(qū)動軸局部最大等效應(yīng)力達到358.83 MPa,根據(jù)GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》,45號鋼的屈服強度為355 MPa,此時驅(qū)動軸的最大等效應(yīng)力已經(jīng)超過極限值,應(yīng)力集中處容易形成初始裂紋源。由于汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)在高空運轉(zhuǎn),需要登上安裝平臺才能進行觀察,因此很少及時發(fā)現(xiàn)問題。

限于篇幅,筆者僅分析急停時驅(qū)動軸的變形。如圖13所示,最大變形位于軸中間,約為1.306 9 mm。對于一般用途的傳動軸,允許撓度約為1.43 mm[16],因此驅(qū)動軸的撓度滿足條件。汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)兩側(cè)有軸承座約束,并且受到皮帶和減速電機的作用力,運用自由模態(tài)模擬可能比較欠缺,對此考慮運用Pre-Stress模態(tài)分析前六階振型,前六階模態(tài)頻率見表4。一階模態(tài)固有頻率為117.43 Hz,汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)采用四極電機,換算得到臨界轉(zhuǎn)速為3 522.9 r/min,遠超電機的最大輸出轉(zhuǎn)速31 r/min,可知驅(qū)動系統(tǒng)不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

表4 汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng)前六階模態(tài)頻率

裂紋對驅(qū)動軸疲勞壽命的影響如圖14所示。有裂紋的45號鋼驅(qū)動軸性能要比光滑無裂紋的驅(qū)動軸差,疲勞壽命約為無裂紋時的1/25。從理論上分析,一開始裂紋很小,經(jīng)反復(fù)啟動停止等高負(fù)荷工作,驅(qū)動軸會產(chǎn)生疲勞裂紋擴展,積累到一定程度,導(dǎo)致驅(qū)動軸最終斷裂,與驅(qū)動軸實際斷裂情況基本一致。

查閱機械手冊可知,當(dāng)驅(qū)動軸的直徑為100～300 mm時,40Cr鋼調(diào)質(zhì)處理后的屈服強度為500 MPa,滿足強度要求。兩種材質(zhì)驅(qū)動軸溫度與最大等效應(yīng)力關(guān)系曲線如圖15所示。由圖15可知,40Cr鋼和45號鋼的彈性模量等物理性能相近,當(dāng)施加相同載荷時,兩種材質(zhì)驅(qū)動軸的最大等效應(yīng)力隨溫度改變較小,從而可知驅(qū)動軸斷裂與溫升關(guān)系不大。兩種材質(zhì)驅(qū)動軸應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線如圖16所示。由圖16可知,40Cr鋼的疲勞壽命明顯優(yōu)于45號鋼,加上調(diào)質(zhì)處理改善了驅(qū)動軸的綜合機械性能,在不增大驅(qū)動軸半徑,保證加工精度的情況下,選用40Cr鋼并調(diào)質(zhì)處理,能改善驅(qū)動軸易斷裂的現(xiàn)狀,從而延長使用壽命。

5 結(jié)束語

針對汽車升降機驅(qū)動軸斷裂,筆者通過化學(xué)成分分析證明汽車升降機驅(qū)動軸材質(zhì)為45號鋼,從斷口金相組織識別和硬度測試結(jié)果判斷為驅(qū)動軸材質(zhì)調(diào)質(zhì)處理不合格。通過建立滾筒和脹套的數(shù)學(xué)模型,分析汽車升降機驅(qū)動系統(tǒng),顯示驅(qū)動軸處于高負(fù)荷工作狀態(tài)。對此,建議驅(qū)動軸材質(zhì)選擇性能更好的40Cr鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,改善易疲勞斷裂的情況,以保證汽車升降機驅(qū)動軸的正常使用。