汽車變速器輸出軸斷裂失效分析與優(yōu)化研究

變速器是汽車動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要由輸入軸、輸出軸和齒輪系統(tǒng)組成。其中，輸出軸的主要功能是將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳遞給推進軸、驅(qū)動螺旋槳或其他推進裝置。因此，變速器輸出軸是汽車動力傳遞系統(tǒng)的核心部件，研究其斷裂形式并分析原因?qū)ζ囎兯倨鞯慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和可靠性提升具有重要意義。。

董雪嬌[1等采用掃描電鏡和常規(guī)檢驗方法分析水泵軸的斷裂原因，指出中間軸斷裂主要是不合理的熱處理降低了軸的耐腐蝕性和韌性，導致沿車削加工刀痕產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，進而斷裂。李艷等和ZhaoL 等的研究案例中，軸的設計造成局部圓角應力集中。

周利東[4]等指出滾筒軸滾筒軸發(fā)生脆性疲勞斷裂、軸斷裂處過渡圓角半徑較小、斷裂處產(chǎn)生應力集中失效的情況。史志剛5等的研究中主軸基體材質(zhì)和熔覆質(zhì)量不合格產(chǎn)生裂紋。范景峰等和耿墨杰指出軸發(fā)生斷裂的主要原因是軸頸處的應力集中現(xiàn)象。謝納冰等的案例中應力集中和焊接缺陷是造成軸疲勞破壞或斷裂失效的主要原因。徐欽華等和張杰[1等研究結(jié)果顯示失效工件內(nèi)部存在的冶金夾渣和非金屬夾雜物、腐蝕疲勞是產(chǎn)生疲勞裂紋的萌生源。殷志碗[11]等的研究結(jié)果顯示驅(qū)動軸外表面石墨分布較少，且二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布是導致驅(qū)動軸疲勞斷裂的根本原因。王歡銳[12]等和曹蕾蕾[13]等指出鍛造過程中的表面和加工過程中的應力集中導致失效。

總之，已經(jīng)有很多文獻對變速器輸出軸斷裂原因進行研究，研究結(jié)果顯示輸出軸的斷裂與材料特性、設計加工和裝配方式相關(guān)，很少有文獻指出變速器輸出軸會因為未受到過載保護裝置的過載保護而斷裂，本文首次提出過載保護失效的關(guān)聯(lián)機制。

輸出軸的設計與加工

1.輸出軸的設計

機械結(jié)構(gòu)的設計與加工需要遵循相應的行業(yè)規(guī)范[14＼～16]，對于承受轉(zhuǎn)矩的軸類結(jié)構(gòu)通常需要滿足扭轉(zhuǎn)強度條件。由于輸出軸花鍵處為結(jié)構(gòu)薄弱位置，因此，輸出軸花鍵處的扭剪應力需要滿足

式中 扭剪應力（ ）； 軸承受的轉(zhuǎn)矩 （kN？m） ； 抗扭截面系數(shù) ）；（20 軸的許用扭剪應力，取

此外，花鍵軸經(jīng)常承受周期載荷，因此也需要滿足疲勞安全系數(shù)

式中 ——疲勞安全系數(shù)；

—軸向疲勞安全系數(shù)；

——切向疲勞安全系數(shù)。

以上兩個參數(shù)計算公式為

式中 （2 零件對稱彎曲疲勞循環(huán)極限； （2號 正應力條件下有效應力集中系數(shù)； 零件危險面處的變應力； （20 尺寸影響分數(shù)； 表面質(zhì)量影響分數(shù)； 疲勞等效分數(shù)； （20 零件危險面處的平均應力； 扭轉(zhuǎn)應力。下標為的表示切應力條件下系數(shù)。

2.輸出軸的校核

前面介紹了設計輸出軸時用到的相關(guān)準則，現(xiàn)在將輸出軸的具體參數(shù)予以展示，并與規(guī)范值進行比較。案例中輸出軸材料為 20CrMo ，表面硬度為 （61±3） HRC，滲碳層深度為 0.5～0.8mm （550HV1），心部硬度為32～48HRC。技術(shù)參數(shù)見表1。

根據(jù)表1，計算得到輸出軸承受的扭剪應力 ，安全系數(shù) ，以上兩個參數(shù)均符合設計要求。

進一步在Masta中模擬輸出軸真實使用工況，分析得到輸出軸的靜態(tài)安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù)，如圖1所示。

圖1a表明輸出軸靜力安全系數(shù)最小值為1.6574，大于設定要求值1.4。圖1b顯示輸出軸疲勞安全系數(shù)為最小值1.4798，大于設定要求值1.2。仿真結(jié)果表明：靜態(tài)安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù)都符合設計要求。

3.輸出軸的加工

前面的分析顯示，輸出軸承受的轉(zhuǎn)矩和疲勞不足以引起結(jié)構(gòu)失效，這里將對輸出軸的加工過程進行分析。

輸出軸的加工一般包括鍛造制壞、正火、精車加工和熱處理。對各環(huán)節(jié)的跟蹤結(jié)果顯示每個環(huán)節(jié)都嚴格按照規(guī)范執(zhí)行，輸出軸的直線度，表面處理及硬化都符合要求。以扭轉(zhuǎn)角度為橫坐標，輸入轉(zhuǎn)矩為縱坐標繪制輸出軸靜扭試驗曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，曲線在坐標（ ， 797.1N.m， 0處出現(xiàn)拐點，這表明當輸入轉(zhuǎn)矩達 797.1N m時，輸出軸才斷裂失效。由于發(fā)動機能提供的最大轉(zhuǎn)矩為290N·m，因此，設計的輸出軸有2.5倍后備系數(shù)。這再次證明案例中輸出軸的斷裂失效與設計加工無關(guān)。

失效原因分析

1.失效形式宏觀分析

通過對多個失效變速器輸出軸的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)其失效主要集中在輸出軸花鍵收尾處，即與結(jié)合套連接外的部位，如圖3a所示。圖3b展示了斷口宏觀特征形貌，其中，區(qū)域1呈銀灰色，有清晰放射棱線，表面粗糙，呈現(xiàn)脆性快速斷裂特征，表明該區(qū)域為為瞬斷區(qū)；區(qū)域3為暗灰色，相對平坦，表面較粗糙，有細膩的韌性纖維狀斷裂特征，說明該區(qū)域為裂紋擴展區(qū)[17，18]；區(qū)域4為疲勞源區(qū)。因輸出軸受到轉(zhuǎn)矩的作用，故出現(xiàn)了多個疲勞源區(qū)。

2.失效形式微觀分析

宏觀形式確定了輸出軸斷裂的位置及斷口形貌，但還不足以確定斷裂的具體原因。由于電鏡掃描可以對組織進行形貌和斷口分析，確定材料元素種類和含量，展示晶體結(jié)構(gòu)，接下來將對輸出軸斷口進行電鏡掃描，從微觀形式進一步解釋斷裂原因。

將失效變速器輸出軸的斷口置入掃描電鏡里進行觀察，得到圖4。圖4表明輸出軸失效是從花鍵齒面形成，呈現(xiàn)為多源斷裂特征，這一多源斷裂主要由輸出軸承受扭轉(zhuǎn)載荷造成低周疲勞。斷口形貌具有韌窩特征，心部微觀組織特征為貝氏體 + 低碳馬氏體 少量的鐵素體組織，由于滲碳淬火時輸出軸心部為低碳馬氏體，而低碳馬氏體具有微觀韌性斷裂特點，這說明心部組織具有良好的微觀韌性。

接著，對失效起始處花鍵齒面的斷口進行掃描，電鏡掃描結(jié)果顯示微觀形貌呈現(xiàn)為沿晶斷口，次表面呈現(xiàn)為沿晶 + 準解理斷口特征，如圖5所示。同樣，在滲碳淬火時輸出軸表面為高碳馬氏體，而高碳馬氏體具有微觀脆性斷裂。圖5表明斷口特征與零件的熱處理狀態(tài)相一致。

從以上的分析可以得出，輸出軸的設計和加工都滿足相關(guān)規(guī)范，輸出軸的斷裂具有低周疲勞特征。根據(jù)試驗失效時的轉(zhuǎn)矩分析[19＼～21]，試驗時實際載荷超過零件的設計極限強度，而此時傳動系統(tǒng)中的過載保護裝置因后備系數(shù)過大沒有對變速器進行過載保護。

明確變速器輸出軸斷裂原因之后，提出以下優(yōu)化措施：

1）改進輸出軸原材料的性能。

2）增大花鍵根部R角，減少應力集中。

3）降低過載保護裝置的后備系數(shù)。

通過改進輸出軸原材料的性能、增大花鍵根部R角（應力峰值降低約 123% ），減少應力集中，經(jīng)過計算，輸出軸原材料總成靜扭強度增加了約 16% 。同時，降低過載保護裝置的后備系數(shù)，在變速器輸出軸超過承扭能力之后對其進行必要的保護，優(yōu)化后的變速器輸出軸再也沒出現(xiàn)斷裂情況。

結(jié)語

以某汽車變速器在跳擋路試過程中出現(xiàn)的輸出軸斷裂為研究對象，論述了輸出軸的設計與加工過程，通過對輸出軸斷口的形貌及電鏡掃描分析，得到以下

結(jié)論：

1）規(guī)范的設計與加工有利于提高零部件性能。靜扭試驗結(jié)果表明輸出軸能承受的轉(zhuǎn)矩遠遠大于設計值，電鏡掃描結(jié)果顯示斷裂形式符合熱處理之后材料的特征。2）低周疲勞是輸出軸滿足設計加工要求之后依舊失效的重要因素。本案例中輸出軸的設計與加工均滿足規(guī)范，電鏡掃描結(jié)果顯示輸出軸的斷裂主要由低周疲勞造成。3）車輛設計過程中要統(tǒng)籌整體與局部。本案例中盡管輸出軸零件的設計與加工滿足規(guī)范，但過載保護裝置未能實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的過載保護導致變速器輸出軸斷裂。

參考文獻：

[1]董雪嬌，吳安術(shù)，楊大巍，等.40Cr水泵軸斷裂失效原因分析[J].鑄造，2021，70（11）：1345-1349.

[2]李艷，向東，韋堯中，等.鑄造橋式起重機卷筒軸斷裂失效分析[J].機械設計與制造，2024（04）：351-356+360.

[3]ZhaoLH，XingQK，WangJY，etal.Failureand root cause analysisofvehicle drive shaft[J].EngineeringFailure Analysis，2019（99）：225-234.

[4]周利東，曾雪林，楊秀峰，等.帶式輸送機滾筒軸斷裂原因分析[J].煤炭技術(shù)，2021，40（11）：193-195.

[5]史志剛，馮鐵玲，劉雪峰.某風電機組主軸斷裂原因分析[J].熱力發(fā)電，2022，51（12）：186-192.

[6]范景峰，梅二召，董振波.汽車傳動軸軸頸斷裂分析與優(yōu)化[J].機械，2020，47（7）：7-14.

[7]耿墨杰.某型內(nèi)燃機車曲軸失效分析[D].遼寧：大連海事大學，2024.

[8]謝納冰，楊娜，瞿喜強，等.黃化機攪拌軸斷裂成因及疲勞壽命[J].東華大學學報（自然科學版），2021，47（6）：44-50，65.

[9]徐欽華，彭志賢，李明揚，等.鐵路棘輪補償用不銹鋼銷軸開裂失效分析[J].材料保護，2020，53（11）：154-159.

[10]張杰，閆淵，吳峰.高含硫天然氣凈化裝置再生塔底貧胺液泵泵軸失效分析與試驗研究[J].流體機械，2020，48（10）：54-58.

[11]殷志碗，湯蔥蔥，李廣州，等.螺桿式制冷壓縮機球墨鑄鐵驅(qū)動軸斷裂失效分析[J].材料保護，2020，53（8）：149-152.

[12]王歡銳，周彬，劉榮，等.某商用車前軸早期疲勞斷裂失效模式及原因分析[J].鍛壓技術(shù)，2020，45（7）：192-197.

[13]曹蕾蕾，康凡軍，郭城臣，等.變速箱中間軸焊接結(jié)構(gòu)多軸疲勞壽命分析方法[J].中國機械工程，2023，34（13）：1605-1610，1627.

[14]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[15]吳世權(quán)，李俊斌，宋春，等.YL33000型煙氣輪機非典型葉片斷裂分析及優(yōu)化改造[J].機械設計與研究，2024，40（4）：177-179，186.

[16]崔庭瓊，李以農(nóng)，張運濤，等.非對稱傳動系統(tǒng)主軸斷裂機理分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].振動與沖擊，2022，41（18）：104-112.

[17]張文濤，劉凱歌，郭培銳，等.某圓柱滾子軸承內(nèi)圈斷裂故障原因分析及工藝優(yōu)化[J].軸承，2021（11）：42-46.

[18]章德發(fā)，賴修.汽車用60Si2Mn鋼前穩(wěn)定桿斷裂分析及優(yōu)化設計[J].機械工程材料，2020，44（8）：88-92.

[19]郝梓超，陳恩偉，丁凱，等.地鐵B型車軸端接地系統(tǒng)部件斷裂原因分析及部件優(yōu)化[J].城市軌道交通研究，2023，26（4）：74-77.

[20]姬芳芳，劉東亮，李志永，等.地鐵車輛軸箱吊耳斷裂分析及優(yōu)化[J].機械強度，2022，44（2）：461-467.

[21]李強，鄧熠，楊偉，等.航空發(fā)動機用齒輪泵齒輪軸疲勞斷裂分析與優(yōu)化設計[J].機床與液壓，2024，52（8）：208-212.AUTO1950