輪式裝載機驅(qū)動橋半軸結(jié)構(gòu)和材料選擇

摘要：以5t裝載機驅(qū)動橋太陽輪半軸故障頻發(fā)為背景，從半軸的結(jié)構(gòu)、材料及其熱處理展開，將相關(guān)試驗的過程、數(shù)據(jù)及分析進行分享。分體式半軸由于其材料和熱處理工藝的制定不受制于太陽輪，故靈活性、設(shè)計強度可優(yōu)于整體式。對于裝載機等大型工程機械的驅(qū)動橋半軸，由于其使用工況惡劣，承受載荷大，設(shè)計直徑大，適宜采用有效硬化層較深的熱處理方式。

關(guān)鍵詞：5t裝載機；齒輪軸；分體式半軸；硬度梯度曲線；抗扭試驗

0 引言

輪式裝載機驅(qū)動橋的半軸是一根帶有花鍵的實心軸，其主要功能是將驅(qū)動橋主減速器傳來的動力傳遞給兩側(cè)的輪邊減速器，如圖1所示，半軸兩端連接有齒輪，中間無支承，為懸浮式半軸，在正常工作狀態(tài)下，半軸僅受到純扭矩作用，而不受任何彎矩作用，半軸斷裂會直接導(dǎo)致驅(qū)動橋無法工作，從而導(dǎo)致整機無法工作，半軸故障率高會直接影響驅(qū)動橋可靠性，進而影響整機可靠性，降低客戶滿意度，故半軸的質(zhì)量至關(guān)重要。

在過去幾年，本公司5t某系列裝載機的驅(qū)動橋半軸，其故障率在所有驅(qū)動橋故障中常年位居第一位，2000h內(nèi)的故障率高達約4.5%，失效形式主要為花鍵處扭斷，見圖2所示，為此，公司成立了質(zhì)量攻關(guān)項目組對此問題進行了專項分析和整改，本文以此為背景，從半軸的結(jié)構(gòu)、材料及其熱處理展開，將相關(guān)試驗的過程、數(shù)據(jù)及分析進行分享。

1 半軸與太陽輪結(jié)構(gòu)

半軸與輪邊減速器中的太陽輪，通常為分體式結(jié)構(gòu)，二者通過花鍵連接。根據(jù)軸類和齒輪類零件各自的特點，分別對半軸和太陽輪選擇合適的材料，并制定相應(yīng)的加工和熱處理工藝。

對于直徑很小的鋼制齒輪，當為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離e＜2mt（mt為端面模數(shù)），齒輪的強度差，應(yīng)將齒輪和軸做成一體，叫做齒輪軸。即齒輪強度設(shè)計要求太陽輪的最小壁厚需大于太陽輪模數(shù)的兩倍，但出于高減速比的特殊需求，以及輪邊空間限制的綜合考量，會出現(xiàn)無法滿足齒輪設(shè)計強度要求的情況，此時需將太陽輪和半軸設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)。

本公司5t某系列產(chǎn)品的驅(qū)動橋半軸和太陽輪即符合上述情況，故將半軸和太陽輪設(shè)計為整體式齒輪軸，以下簡稱為太陽輪半軸。出于齒輪材料選擇對其強度影響、半軸材料選擇對其強度影響的綜合考慮，最終選定太陽輪半軸的材料為20CrMnTi，熱處理方式為：箱式爐正火，多用爐滲碳淬火，DC0.9～1.2，齒面58～64HRC，心部30～45HRC，經(jīng)理論計算，上述太陽輪半軸理論設(shè)計強度可滿足實際需求。

本公司質(zhì)量攻關(guān)項目組針對太陽輪半軸故障頻發(fā)事件，運用FTA等分析手段進行分析，通過試驗等手段進行論證，認為主要的影響因素為太陽輪半軸材料和熱處理工藝造成的強度富余不足，無法應(yīng)對日益惡劣的工況。

2 半軸材料及熱處理

根據(jù)理論和實踐經(jīng)驗，項目組選取了下述幾種代表性材料（包括20CrMnTi），并制訂了對應(yīng)的熱處理工藝，完成了5YcNCSE1chdl+CT1LMMNHrA==t裝載機驅(qū)動橋半軸樣品的試制，半軸直徑為54mm。

本公司太陽輪半軸材料20CrMnTi，是性能良好的滲碳鋼，其淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，多用其制造活塞類、傳動齒輪、齒輪軸等。對應(yīng)熱處理工藝：基體正火，滲碳淬火DC0.9～1.2，齒面58～64HRC，心部30～45HRC。

30CrMnTi比20CrMnTi鋼的強度、淬透性高，但沖擊韌性略低。彎曲強度較高、耐磨性能好。用于制造拖拉機行業(yè)中截面較大的重負荷滲碳件及受力較大的齒輪、齒輪軸、蝸桿等。對應(yīng)熱處理工藝：感應(yīng)淬火區(qū)中頻淬火，表面硬度47～52HRC，DS9～12mm，界限硬度值40HRC。

42CrMo鋼具有強度高、淬透性好、韌性好、淬火時變形小，在高溫時有高的蠕變強度與持久強度等特點，適用于機車牽引用的大齒輪、后軸、彈簧、發(fā)動機氣缸、受載荷極大的連桿等零件。對應(yīng)熱處理工藝：多用爐整體淬火，表面硬度50～55HRC。

對上述熱處理后的半軸進行針對性取樣，進行對比檢測和試驗，為表達更精簡、清晰，以下3組試驗所匯總的圖表中的數(shù)值均為若干樣本實測數(shù)據(jù)剔除極值后的平均值。

2.1 硬度測試

樣本數(shù)量各10件。沿半軸橫截面截取10mm厚度樣品，由表面至中心（沿半徑方向）逐點進行硬度檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)進行匯總，制成折線圖，得到的硬度梯度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，20CrMnTi滲碳半軸有效硬化層淺，表面硬度高。硬度梯度曲線下降趨勢過陡，尤其在距軸表面0～2mm區(qū)間內(nèi)，硬度下降很快，而30CrMnTi中頻半軸和42CrMo直淬半軸在距軸表面10mm以內(nèi)，硬度變化比較平緩。

2.2 強度測試

樣本數(shù)量：各10件。

對半軸1/2半徑處進行取樣，規(guī)格Φ18×120，取樣位置如圖4所示，樣品強度試驗結(jié)果如表1所示。

屈服強度是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力，抗拉強度是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。從表1不難發(fā)現(xiàn)，42CrMo多用爐淬火的半軸、30CrMnTi中頻淬火的半軸屈服強度和抗拉強度明顯高于20CrMnTi滲碳淬火的半軸。

2.3 抗扭試驗

樣本數(shù)量：各5件。

委外對整根半軸進行破壞性扭轉(zhuǎn)試驗，斷裂位置均位于花鍵根部，試驗結(jié)果如表2所示。

檢測單位：機械工業(yè)車輛與零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。

試驗依據(jù)：QC/T293—1999《汽車半軸臺架試驗方法》

該試驗最接近于半軸的實際使用工況，故試驗數(shù)據(jù)對于分析半軸強度最具參考價值，從扭轉(zhuǎn)試驗結(jié)果來看，20CrMnTi滲碳淬火的破壞扭矩明顯低于其他材料及對應(yīng)的熱處理方式。

試驗總結(jié)：通過3組試驗數(shù)據(jù)可以看出，20CrMnTi滲碳半軸表面硬度高，但有效硬化層淺，在模擬扭矩大、載荷重的工況的抗扭試驗中，表現(xiàn)出的抗扭能力偏弱。相對而言，30CrMnTi中頻半軸和42CrMo直淬半軸有效硬化層深，表現(xiàn)出的抗扭能力較強，綜合試驗結(jié)果和實際生產(chǎn)應(yīng)用來看，對于5t裝載機驅(qū)動橋半軸（直徑為φ54），20CrMnTi滲碳半軸強度明顯低于30CrMnTi中頻淬火半軸和42CrMo多用爐整體淬火半軸。

3 半軸直徑對熱處理工藝的影響

為了探究相同材料和熱處理工藝情況下，半軸直徑對抗扭能力的影響程度，項目組針對本公司生產(chǎn)的兩種不同直徑的半軸進一步進行了抗扭試驗：

樣本數(shù)量各5件。委外對整根半軸進行破壞性扭轉(zhuǎn)試驗，斷裂位置均位于花鍵根部，試驗結(jié)果如表3所示。

對表3數(shù)據(jù)進行進一步處理，得出30CrMnTi中頻半軸、42CrMo直淬半軸的破壞扭矩較20C9f2c07be9dea33617c021aabe77b9933bff938e03adecd355e98a0b984881489rMnTi滲碳半軸提高的百分比，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，就30CrMnTi中頻淬火、42CrMo多用爐整體淬火、20CrMnTi滲碳淬火這3種材料半軸而言，不同材料和相應(yīng)熱處理工藝對半軸抗扭能力的影響，隨著半軸直徑的減小而弱化。

4 分體式半軸的設(shè)計、試制及量產(chǎn)

根據(jù)分析結(jié)果，項目組對本公司部分5t裝載機產(chǎn)品的驅(qū)動橋半軸，進行了分體式半軸及整個驅(qū)動橋輪邊減速器的設(shè)計，輪邊減速比做相應(yīng)調(diào)整，綜合考慮成本、強度等因素，最終選定半軸材料為30CrMnTi，熱處理工藝為感應(yīng)淬火區(qū)中頻淬火，表面硬度47～52HRC，DS9～12mm，界限硬度值40HRC。該系列產(chǎn)品目前已經(jīng)進入量產(chǎn)階段，且無故障反饋。

5 對太陽輪半軸的相關(guān)優(yōu)化

由于高速比產(chǎn)品需求等客觀因素，本公司5t裝載機產(chǎn)品的驅(qū)動橋半軸無法全部切換為分體式結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有太陽輪半軸進行質(zhì)量控制和優(yōu)化也是必須的。

對太陽輪半軸質(zhì)量的控制和提升：包括熱處理控制和半軸直線度的控制，具體措施和效果見表5。

太陽輪半軸直線度要求：兩端漸開線花鍵的定位表面對半軸軸心線的徑向跳動≤0.1mm，外圓全長表面對軸心線的跳動≤0.3mm，對熱處理后的半軸使用圖5所示的校直機進行校直，時效后二次校直。

對驅(qū)動橋其他相關(guān)件的控制：提高橋殼、托架的加工精度，保證太陽輪半軸在使用過程中的傳動平穩(wěn)性。

6 結(jié)束語

半軸和太陽輪的結(jié)構(gòu)對其材料的選擇和相關(guān)熱處理工藝的制定起著決定性作用，進而影響半軸的強度，分體式半軸由于其材料和熱處理工藝的制定不受制于太陽輪，故靈活性高，設(shè)計強度可優(yōu)于整體式。

對于裝載機等大型工程機械的驅(qū)動橋半軸，由于其使用工況惡劣，承受載荷大，設(shè)計直徑大，宜采用有效硬化層較深的熱處理方式，如30CrMnTi中頻淬火、42CrMo多用爐整體淬火等，強度明顯優(yōu)于20CrMnTi滲碳淬火。就30CrMnTi中頻淬火、42CrMo多用爐整體淬火、20CrMnTi滲碳淬火這3種材料半軸而言，不同材料和相應(yīng)熱處理工藝對半軸強度的影響，隨著半軸直徑的變小而弱化，類似的材料也可做參考。

整體式齒輪軸，如太陽輪半軸的熱處理過程控制、尺寸精度控制對成品的質(zhì)量影響重大，直接關(guān)系到半軸的使用壽命，需加強監(jiān)控和把關(guān)，并進行適應(yīng)性改進。

參考文獻

[1] 西北工業(yè)大學機械原理機械零件教研室.機械設(shè)計（第八版）.高等教育出版社.2006.5.

[2]《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編委會.機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M].機械工業(yè)出版社.1994.12.

[3] 楊占敏，王智明，張春秋，輪式裝載機.化學工業(yè)出版社.2005.8.