張鵬超

(許昌遠(yuǎn)東傳動(dòng)軸股份有限公司， 河南 許昌 461111)

1 問題概述

某客戶反饋一套油泵取力傳動(dòng)軸，在用戶使用120 h后出現(xiàn)斷裂故障，斷裂部位在傳動(dòng)軸總成的前十字軸，許昌遠(yuǎn)東傳動(dòng)軸股份有限公司及時(shí)向該客戶提供新傳動(dòng)軸，為用戶進(jìn)行了更換。

2 故障定位

2.1 故障定位的依據(jù)

該取力傳動(dòng)軸總成出現(xiàn)斷裂后，該公司質(zhì)量部組織技術(shù)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)人員到該客戶處對失效件進(jìn)行了初步檢查分析，發(fā)現(xiàn)失效傳動(dòng)軸總成前萬向節(jié)十字軸斷裂。為進(jìn)一步查明該軸失效原因，將失效件帶回作了進(jìn)一步理化檢驗(yàn)，檢驗(yàn)項(xiàng)目包括軸管和十字軸材質(zhì)檢驗(yàn)、十字軸金相組織、硬度檢驗(yàn)等，均符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求(見表1、2)。

表1 十字軸材質(zhì)檢驗(yàn)

表2 十字軸金相、硬度檢驗(yàn)

又對失效件宏觀型貌進(jìn)行分析(見圖1～3)，發(fā)現(xiàn)：十字軸斷口為疲勞斷口； 前、后兩端萬向節(jié)存在明顯相位偏差；軸管存在明顯扭曲變形； 失效模式為低周疲勞斷裂。

為驗(yàn)證該傳動(dòng)軸總成靜扭矩是否滿足設(shè)計(jì)文件要求，抽取了同規(guī)格型號的傳動(dòng)軸做了靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：傳動(dòng)軸靜扭破壞扭矩值達(dá)到2 350 N·m。根據(jù)設(shè)計(jì)文件和雙方簽定的技術(shù)要求規(guī)定，傳動(dòng)軸總成額定扭矩為1 078 N·m，按照《汽車傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件》(QC/T29082—92)規(guī)定，其靜扭屈服強(qiáng)度應(yīng)大于額定扭矩的1.5倍，即該傳動(dòng)軸靜扭屈服強(qiáng)度大于1 617 N·m即為合格。

圖1 十字軸斷裂形貌

圖2 十字軸斷口形貌

圖3 十字軸切割取樣

基于以上檢驗(yàn)和分析，該公司初步判斷該取力傳動(dòng)軸總成斷裂-失效原因?yàn)?傳動(dòng)軸長期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成傳動(dòng)軸各零件長期承受過大應(yīng)力，導(dǎo)致萬向節(jié)十字軸出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展、軸管扭曲變形，從而最終導(dǎo)致傳動(dòng)軸斷裂失效現(xiàn)象發(fā)生。

為確定是否因用戶安裝使用不當(dāng)造成該傳動(dòng)軸斷裂，該公司技術(shù)、質(zhì)量人員對該傳動(dòng)軸在用戶產(chǎn)品上的安裝形式和安裝角度進(jìn)行檢查，安裝角度在3°～5°之間，小于該型號傳動(dòng)軸的安裝許用角度22°；安裝沒有問題；檢查故障傳動(dòng)軸未發(fā)現(xiàn)缺油或潤滑不良現(xiàn)象。

同時(shí)，對其選定的傳動(dòng)軸扭矩進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，選型安全系數(shù)達(dá)2.46，符合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊推薦的傳動(dòng)軸安全系數(shù)規(guī)范要求，認(rèn)為不存在過載的問題。

鑒于以上技術(shù)分析，傳動(dòng)軸質(zhì)量合格，符合設(shè)計(jì)要求，用戶也不存在安裝、使用不當(dāng)?shù)膯栴}，那么，故障原因就只有可能是在傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)上存在認(rèn)識不到的問題或某些設(shè)計(jì)缺陷。

2.2 故障定位結(jié)果

針對故障傳動(dòng)軸經(jīng)過一系列檢驗(yàn)和試驗(yàn)，沒發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，公司技術(shù)部對傳動(dòng)軸進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)校核，根據(jù)故障現(xiàn)象和對失效件的檢驗(yàn)分析，傳動(dòng)軸的故障點(diǎn)為十字軸和軸管。

針對故障點(diǎn)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核如下:

2.2.1 傳動(dòng)軸軸管

傳動(dòng)軸軸管的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力:

式中：Mmax為傳動(dòng)軸最大扭矩，1 078 N·m；D為軸管外徑，φ50 mm；d為軸管內(nèi)徑，φ45 mm。

τ<[τ]=300 N/mm2，所以，上述計(jì)算證明軸管是安全的。

2.2.2 十字軸的校核

軸頸根部端面的彎曲應(yīng)力

式中：Mmax為傳動(dòng)軸最大扭矩，1 078 N·m；h為十字軸軸頸長度，14.5 mm；D為十字軸軸頸，16.3 mm；H為十字軸長度，80 mm；L為滾針長度，14.5 mm；d為十字軸油孔直徑，5.2 mm。

根據(jù)汽車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，十字軸彎曲應(yīng)力應(yīng)不大于250～350 N/mm2，所以十字軸的彎曲應(yīng)力是安全的，傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)符合QC/T29082—1992《汽車傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件》要求。

但因各種計(jì)算方法及σ彎、τ值選取方法不盡相同，與該客戶技術(shù)溝通意見有出入，根據(jù)汽車與工業(yè)用傳動(dòng)軸使用環(huán)境及工作性質(zhì)有所區(qū)別、應(yīng)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選取[σu]=σs/(3～3.5)MPa。

[τ]為許用扭矩切應(yīng)力，與許用拉應(yīng)力[σ]的關(guān)系為[τ]=0.5～0.6[σ]，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊規(guī)定:[σ]=σs/(1.5～2)MPa，

軸管材質(zhì)為440QZ時(shí)，其σs≥280 MPa，將σs代入[σ]的計(jì)算公式可得:

[σ]=σs/(1.5～2)=280/(1.5～2)=

140～186.7 MPa

將[σ]值代入[τ]的計(jì)算公式可得：

[τ]=0.5～0.6[σ]= 70～112 MPa

而原傳動(dòng)軸計(jì)算的τ值為127.7 N/mm2，超過了軸管材質(zhì)允許的切應(yīng)力[τ]，不符合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊推薦的通用設(shè)計(jì)規(guī)范的安全要求。

通過以上的設(shè)計(jì)校核分析來看，該傳動(dòng)軸的十字軸彎曲強(qiáng)度和傳動(dòng)軸軸管強(qiáng)度均低于設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的安全系數(shù)要求。

傳動(dòng)軸早期疲勞斷裂的故障原因就是原傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)在工業(yè)(油泵取力)使用環(huán)境工作時(shí)存在安全系數(shù)裕量偏小的問題。

2.2.3 問題原因

原傳動(dòng)軸是該公司的老產(chǎn)品，其技術(shù)狀態(tài)早已固化，其靜扭強(qiáng)度滿足汽車傳動(dòng)軸通用技術(shù)條件，一直為汽車配套生產(chǎn)，沒有出現(xiàn)問題。在給該客戶配套中，在出現(xiàn)斷裂問題之前，技術(shù)部門沒有對其設(shè)計(jì)強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算，所以沒認(rèn)識到原設(shè)計(jì)存在一定的安全隱患。

3 故障機(jī)理

該客戶選用的該型傳動(dòng)軸總成，兩端均采用法蘭聯(lián)接，含有2個(gè)萬向節(jié)，并帶1個(gè)花鍵伸縮結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)也是我公司成熟的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在其他產(chǎn)品上已廣泛應(yīng)用。適用于有角度位移的兩軸間聯(lián)接，兩軸間的軸間工作角度最大可達(dá)22°。其為何在滿足汽車傳動(dòng)軸靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)的情況下卻不能滿足該公司的使用要求呢，是因?yàn)槠噦鲃?dòng)與油泵取力系統(tǒng)使用情況不同。

汽車傳動(dòng)軸用于汽車行駛時(shí)，只有20%的時(shí)間工作在最大扭矩，靜扭強(qiáng)度安全系數(shù)大于1.5即可大部分滿足用戶使用要求，而用于油泵取力工作時(shí)，其負(fù)載卻是在啟動(dòng)時(shí)有瞬時(shí)較大沖擊，然后恒定在較大的負(fù)載下工作，即使恒定負(fù)載不超過最大負(fù)載，但其有可能大于汽車使用條件下的壽命周期內(nèi)的實(shí)際使用平均負(fù)載，從而使傳動(dòng)軸出現(xiàn)低壽命周期的疲勞破壞。

根據(jù)設(shè)計(jì)校核計(jì)算結(jié)果，其關(guān)鍵部位十字軸和軸管的安全系數(shù)確實(shí)不滿足安全設(shè)計(jì)要求，所以該傳動(dòng)軸用在負(fù)荷特性具有持續(xù)性和瞬時(shí)較大沖擊的負(fù)載的情況下，軸管容易早期疲勞，出現(xiàn)扭曲變形，進(jìn)而萬向節(jié)十字軸出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終在多次突然施加的沖擊負(fù)荷的作用情況下，出現(xiàn)疲勞性的一次性斷裂故障。

4 措施有效

4.1 實(shí)施方法

針對故障原因，對該傳動(dòng)軸總成進(jìn)行如下設(shè)計(jì)改進(jìn)加強(qiáng):

1) 傳動(dòng)軸軸管由原來的φ 50×2.5 mm，改進(jìn)為φ 63.5×2.5 mm，經(jīng)計(jì)算抗扭截面模量由8 440.6 mm3增大為14 060.6 mm3，強(qiáng)度提高67%。

2) 萬向節(jié)十字軸材質(zhì)由20Cr改進(jìn)為20CrMnTi，抗拉強(qiáng)度由835 MPa增大為1 080 MPa，提高29%，屈服強(qiáng)度由540 MPa增大為850 MPa，提高57%，同時(shí)對十字軸的軸肩圓角和粗糙度等進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4.2 改進(jìn)措施

4.2.1 設(shè)計(jì)校核情況

原設(shè)計(jì)軸管規(guī)格為φ 50×2.5 mm，改進(jìn)為φ 63.5×2.5 mm；原裝配十字軸材質(zhì)為20Cr，現(xiàn)改為20CrMnTi。改進(jìn)后設(shè)計(jì)校核計(jì)算結(jié)果如下:

1) 傳動(dòng)軸軸管

傳動(dòng)軸軸管的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為τ，則

式中：Mmax為傳動(dòng)軸最大扭矩，1 078 N·m；D為軸管外徑，φ 63.5 mm；d為軸管內(nèi)徑，φ 58.5 mm。

軸管材質(zhì)經(jīng)計(jì)算，[τ]取112 N/mm2,τ<[τ]，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度條件τ≤[τ]的要求。

2) 十字軸的校核

軸頸根部斷面的彎曲應(yīng)力

式中：Mmax為傳動(dòng)軸最大扭矩1 078 N·m；H為十字軸軸頸長度，12.5 mm；D為十字軸軸頸長度，18.46 mm；H為十字軸長度，69 mm；L為滾針長度，10.5 mm；d1為十字軸油孔直徑，6 mm。

十字軸材質(zhì)由20Cr改為20CrMnTi，其許用彎曲應(yīng)力[σμ]增大為283 N/mm2。σ彎<[σμ]，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度要求。

由計(jì)算得出:傳動(dòng)軸改進(jìn)設(shè)計(jì)后，軸管和十字軸安全系數(shù)皆得到有效改善和提高，其強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)達(dá)到了機(jī)械手冊所推薦的通用設(shè)計(jì)規(guī)范安全性要求。

4.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

該公司按照該傳動(dòng)軸總成改進(jìn)后的技術(shù)狀態(tài)加工了一根樣軸，并進(jìn)行了靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)客戶要求，又進(jìn)行了傳動(dòng)軸總成改進(jìn)前后的靜扭強(qiáng)度對比試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見圖4，結(jié)果見表4。

圖4 改進(jìn)后技術(shù)狀態(tài)靜扭試驗(yàn)情況

N·m

試驗(yàn)情況見圖5、6。綜上2次試驗(yàn)表明：傳動(dòng)軸總成改進(jìn)前后安全系數(shù)平均提高了53%。

改進(jìn)后傳動(dòng)軸所用的φ 63.5×2.5 mm軸管、20CrMnTi材質(zhì)的萬向節(jié)十字軸在該公司供其他主機(jī)廠的傳動(dòng)軸上已大批量使用，性能穩(wěn)定可靠。該系列同類型的傳動(dòng)軸在長春吉林大學(xué)車輛檢測實(shí)驗(yàn)室曾做過靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)(見表5、圖7)和疲勞鑒定試驗(yàn)(見表6)，均合格。

圖5 改進(jìn)前靜扭試驗(yàn)情況

4.2.3 用戶復(fù)核驗(yàn)證試驗(yàn)情況

改進(jìn)后的傳動(dòng)軸得到該客戶的設(shè)計(jì)復(fù)核驗(yàn)證和裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)核和對傳動(dòng)軸重要部位的強(qiáng)度校核，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的傳動(dòng)軸可以滿足客戶理論設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后傳動(dòng)軸首套交用戶后，滿載、持續(xù)4 h運(yùn)行，沒有發(fā)現(xiàn)軸管屈服、萬向節(jié)斷裂的情況，繼而對已交付用戶的30套總成進(jìn)行了更換，運(yùn)行已超過120 h，未收到失效信息，改進(jìn)措施有效性得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

表6 扭轉(zhuǎn)疲勞壽命

5 結(jié)束語

隨著各類特種用途的汽車裝備研發(fā)、生產(chǎn)，汽車傳動(dòng)軸總成廣泛應(yīng)用到取力發(fā)電、水泵取力、油泵取力等，本文旨在說明針對這類取力傳動(dòng)軸選型、匹配時(shí)應(yīng)充分考慮工作環(huán)境、負(fù)載受力情況，按照工業(yè)傳動(dòng)軸使用工作環(huán)境要求，選擇安全系數(shù)裕量合適的汽車傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，保證該類型傳動(dòng)軸總成達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命要求。