汽車(chē)傳動(dòng)軸熱處理工藝強(qiáng)化要求確定研究

廖金雄

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，衡陽(yáng) 421001）

在當(dāng)前全球能源日益匱乏的大環(huán)境下，汽車(chē)零部件輕量化已成為行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)?，F(xiàn)有汽車(chē)零部件輕量主要從改造零部件結(jié)構(gòu)及減輕材料重量?jī)煞矫孢M(jìn)行[1]。汽車(chē)傳動(dòng)軸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度進(jìn)行輕量化（減少軸桿直徑或中空化等）已到達(dá)瓶頸[2]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，熱處理工藝強(qiáng)化（滲碳淬火、中頻淬火等）為一種有效的解決方案，熱處理后傳動(dòng)軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度可以成倍提高[3]。但是，熱處理工藝設(shè)計(jì)中存在無(wú)法確定熱處理硬化層深度和硬度梯度分布、強(qiáng)化要求確定不合理、不準(zhǔn)確等問(wèn)題，因此需開(kāi)展從毛坯材料特性、成形工藝及產(chǎn)品設(shè)計(jì)強(qiáng)度多維度視角出發(fā)，協(xié)同確定零件熱處理工藝強(qiáng)化要求（表面硬度、芯部硬度及硬化層深度等）的熱處理工藝關(guān)鍵技術(shù)研究，為工程中的熱處理工藝強(qiáng)化要求的確定提供設(shè)計(jì)思路和借鑒。

1 研究對(duì)象

以某轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)軸為研究對(duì)象，如圖1 所示，其中Mn為扭矩。傳動(dòng)軸的軸段I 與固定式等速萬(wàn)向節(jié)連接，軸段Ⅲ與滑移式等速萬(wàn)向節(jié)相連。靜態(tài)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，固定端等速萬(wàn)向節(jié)擺角為40°，滑移端等速萬(wàn)向節(jié)擺角為10°的情況下，靜扭轉(zhuǎn)斷裂扭矩不低于3 700 N·m。

圖1 傳動(dòng)軸及其彎矩分布（單位：mm）

2 危險(xiǎn)截面應(yīng)力分析及強(qiáng)度分布要求確定

等速萬(wàn)向傳動(dòng)軸扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)路線(xiàn)為從傳動(dòng)軸通過(guò)固定端萬(wàn)向節(jié)內(nèi)套、鋼球、外套傳遞給車(chē)輪。扭矩傳遞過(guò)程中，傳動(dòng)軸內(nèi)部因萬(wàn)向節(jié)存在擺角會(huì)產(chǎn)生二次彎矩以平衡扭矩傳遞，二次彎矩公式為[4]

式中：Mw為二次彎矩；Mq為傳遞扭矩；δ為萬(wàn)向節(jié)彎曲角度。

根據(jù)傳動(dòng)軸靜強(qiáng)度試驗(yàn)要求，計(jì)算得到固定端和滑移端承受的彎矩分別為扭矩的0.36 倍和0.10 倍。基于傳動(dòng)軸的具體尺寸得到附加彎矩分布情況，如圖1所示。

利用材料力學(xué)知識(shí)計(jì)算得到橫截面上任意點(diǎn)的切應(yīng)力τρ為

式中：T為扭矩；Wt為抗扭截面系數(shù)；α為內(nèi)徑與外徑之比，α=d/D；D為外徑；d為內(nèi)徑；ρ為任意點(diǎn)至端點(diǎn)的距離。

二次彎矩Mw對(duì)應(yīng)的彎曲正應(yīng)力σ為

式中：WZ為抗彎截面系數(shù)。

應(yīng)用第三強(qiáng)度理論計(jì)算彎扭組合載荷下軸截面不同深度的應(yīng)力σeq3為[5]

考慮傳動(dòng)軸各部位所受載荷與截面尺寸情況，其危險(xiǎn)部位主要是D-D截面、C-C截面和B-B截面。計(jì)算3 個(gè)危險(xiǎn)截面的應(yīng)力情況，考慮實(shí)際服役載荷會(huì)大于試驗(yàn)加載的載荷，需要附加安全系數(shù)，扭矩取4 000 N·m，為最大試驗(yàn)扭矩3 700 N·m 的1.08 倍。經(jīng)計(jì)算可得：截面B-B最大應(yīng)力為2 460 MPa，截面C-C最大應(yīng)力為2 283 MPa，截面D-D最大應(yīng)力為2 293 MPa，后續(xù)熱處理強(qiáng)化要求基于B-B截面確定。根據(jù)強(qiáng)度-應(yīng)力干涉模型及試驗(yàn)測(cè)得的硬度-強(qiáng)度轉(zhuǎn)換關(guān)系，即1 HV 對(duì)應(yīng)4.63 MPa，確定傳動(dòng)軸的硬度沿深度分布情況，如圖2 所示。

圖2 硬度沿深度分布情況

3 基于材料-加工-產(chǎn)品的熱處理方式確定

考慮變截面變壁厚的幾何特點(diǎn)，成型工藝采用旋鍛工藝。考慮后續(xù)還要進(jìn)行花鍵成形，材料需保有一定的韌性及塑性，硬度應(yīng)在180 HV 以下，為中低碳鋼，以防止其過(guò)脆。因此，確定毛坯材料為低碳合金鋼25CrMo4。根據(jù)淬透性曲線(xiàn)，可得到該傳動(dòng)軸淬火后硬度沿深度的分布情況，如圖3 所示。從圖3 可看出，僅經(jīng)淬火材料硬度無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品強(qiáng)度要求，其表面及次表面的硬度不足，需進(jìn)行表面熱處理強(qiáng)化，使表面和次表面形成硬化層。

圖3 淬火硬度沿深度分布

常用的表面熱處理強(qiáng)化工藝有滲氮、滲碳、碳氮共滲及滲金屬元素等。滲氮工藝的滲層較?。?.3 mm左右），硬化層過(guò)薄，不能滿(mǎn)足要求；滲金屬元素一般為提高工件表面耐腐蝕等性能，不做考慮；碳氮共滲工藝適用于中高碳鋼及其合金鋼；滲碳工藝一般用于低中碳鋼及其合金鋼?；谝陨戏治?，本研究采用滲碳工藝對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行表面強(qiáng)化，熱處理強(qiáng)化工藝確定為“滲碳+淬火+低溫回火”，以消除淬火內(nèi)應(yīng)力。

4 熱處理工藝強(qiáng)化要求

為確定具體工藝參數(shù)，需確定具體的強(qiáng)化要求，主要確定表面硬度、芯部硬度、滲碳硬化層深度。

4.1 確定表面及芯部硬度

由圖3 可知，在深度3.0 ～4.0 mm 區(qū)域硬度變化較小。以3.0 ～4.0 mm 區(qū)域中點(diǎn)位置為基準(zhǔn)，確定最低淬火芯部硬度，最低硬度取材料淬透硬度的中間值，約為480 HV。深度小于該點(diǎn)的區(qū)域，硬度要大于480 HV。

從圖3 硬度要求分布線(xiàn)可知，一方面考慮傳動(dòng)軸的表面硬度要大于要求分布線(xiàn)在縱軸的截距，即532 HV。另一方面，考慮確定的芯部硬度大于480 HV，按照理想硬度分布曲線(xiàn)的硬度梯度確定其表面硬度，約為630 HV。綜合考慮，確定傳動(dòng)軸表面硬度應(yīng)大于630 HV。

4.2 確定滲碳硬化層深度

根據(jù)不同滲碳硬化層深度所呈現(xiàn)的硬度分布情況，當(dāng)滲碳硬化層過(guò)薄時(shí)，硬化層區(qū)域的硬度迅速下降至芯部硬度，使得實(shí)際硬度分布線(xiàn)與應(yīng)力分布線(xiàn)相交，導(dǎo)致硬度分布線(xiàn)不能滿(mǎn)足要求。滲碳硬化層深度過(guò)深，滲碳處理時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本過(guò)高。因此，滲碳硬化層厚度需要恰到好處，為硬度的下降留有余地，即使熱處理過(guò)程中稍有偏差，也不會(huì)使硬度分布線(xiàn)與應(yīng)力分布線(xiàn)相交，而且生產(chǎn)成本可接受。

在確定傳動(dòng)軸滲碳硬化層深度時(shí)，需考慮軸壁厚度（壁厚最薄處為3 mm），使傳動(dòng)軸某些部位不完全滲透。需注意，本研究對(duì)象為空心軸，滲碳工藝過(guò)程中軸的內(nèi)外表面會(huì)同時(shí)有碳滲入。綜合考慮滲碳硬化效果、生產(chǎn)成本及本研究對(duì)象的特殊性等情況，確定滲碳硬化層深度為0.5 ～1.0 mm，進(jìn)而可確定熱處理工藝強(qiáng)化要求，即經(jīng)熱處理強(qiáng)化后的芯部硬度不小于480 HV，表面硬度不小于630 HV。熱處理強(qiáng)化后硬度沿深度分布情況，如圖4 所示。

圖4 熱處理強(qiáng)化后硬度沿深度分布情況

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果制定了后續(xù)熱處理工藝強(qiáng)化要求，并根據(jù)強(qiáng)度-應(yīng)力干涉模型確定了傳動(dòng)軸熱處理強(qiáng)化所需達(dá)到的強(qiáng)度分布最低要求。從熱處理工藝自身的使用范圍及成本控制等方面考慮，確定了傳動(dòng)軸的熱處理方式為“滲碳+淬火+低溫回火”，同時(shí)確定了熱處理工藝強(qiáng)化要求和硬度沿深度的分布要求。