汽車傳動軸無損探傷方案研究

張洪飛，姚艷春，李向楠，杜克鋒

（黃淮學院 電子科學與工程系，河南 駐馬店 463000）

汽車傳動軸無損探傷方案研究

張洪飛，姚艷春，李向楠，杜克鋒

（黃淮學院 電子科學與工程系，河南 駐馬店 463000）

汽車傳動軸的金屬疲勞問題是高速行駛汽車的一個安全隱患．文章提出了一種汽車傳動軸金屬疲勞度動態無損探傷方案，即將超聲波傳感器安裝于汽車傳動軸上，利用電控單元ECU對超聲波傳感器輸出的信息進行實時處理，當傳動軸出現嚴重缺陷時，ECU發出指令使報警裝置發出報警信號．超聲波傳感器的安裝位置是這一方案的難點．

無損探傷；超聲波傳感器；汽車傳動軸；報警裝置；動態監測

汽車上的一些重要構件如傳動軸、半軸、曲軸等，在實際工作中不斷受到交變載荷的作用，金屬疲勞程度逐漸加大，容易發生突然斷裂，這是高速行駛汽車的一個安全隱患．車輛的定期安全檢測雖然能夠有效地防止這類事故，但對于某些大型汽車來講仍不能從根本上解決問題．

隨著微機技術在無損檢測領域的應用，無損檢測的新方法和新技術不斷出現．本文在綜合分析汽車傳動軸、超聲波傳感器、報警裝置特點的基礎上，提出一種利用超聲波傳感器實時探測汽車傳動軸疲勞程度的方案．

1 車用傳動軸材料的斷裂情況及金屬疲勞特性

傳動軸是由薄鋼板卷焊而成的，工作過程中它不斷受到扭轉、振動，容易在縱向產生疲勞裂紋，甚至發生斷裂．傳動軸受到的交變載荷的強度不易準確預測，因此只有通過檢測才能判斷它是否已經達到疲勞極限．

裂紋的擴展速率da/dV與應力強度因子ΔK的關系是如圖1所示的S型曲線．在圖1中，I區稱為不擴展區，即當結構缺陷部位的應力強度因子低于該值時，疲勞裂紋不會擴展，此時的裂紋稱為安全裂紋；II區稱為裂紋擴展區，即將萌生裂紋擴展；III區稱為快速擴展區，此區域中的裂紋擴展速度極快，常常不計算其壽命值（已達到了疲勞極限）．

圖1 da/dV與lg(ΔK)的關系

2 超聲波探傷技術及汽車電控單元簡介

2.1 超聲波探傷技術簡介

超聲波傳感器主要有穿透型和反射型2種．穿透型探傷的主要特點是探傷靈敏度低，不能發現小缺陷，不能定位缺陷的位置，但指示簡單．與穿透型探傷相比，反射法探傷能準確地確定缺陷的位置和深度，可用不同波形進行探測，應用范圍較廣．

本研究中只需判斷汽車傳動軸是否達到了疲勞極限，而不需定位缺陷的位置，因此宜采用穿透型超聲波傳感器．

目前，超聲波傳感器在測距、探傷方面都與微機技術緊密結合，朝著智能化方向發展．例如：NM超聲儀能夠將檢測到的缺陷信息通過微機系統傳輸到電控單元ECU，并對檢測的信號進行分析處理（包括報警），主要用于混凝土的無損檢測；DUD930數字傳感器具有優良的探測特點，近場盲區小，能滿足較近和較遠距離探傷的要求（探傷范圍在0～1000 mm），無極調節，且可自由輸入并存儲各種探傷標準，其不足是價格較高．

2.2 汽車電控單元簡介

汽車電控單元ECU由微處理器MCU、輸入電路、輸出電路、A/D轉換電路、接口I/O等組成，其中的MCU又由CPU、RAM數據存儲器、ROM程序存儲器、地址總線、數據總線、控制總線等構成．來自傳感器的信號經輸入電路處理后，再經A/D轉換后送給CPU．CPU將輸入信號與參考數據對比后發出指令信號，指令信號經功率放大（有時需轉換為模擬信號）后控制相應的調節伺服元件．

3 汽車傳動軸無損探傷模型的建立及分析

3.1 模型的建立

所建立模型的框圖如圖2所示．

圖2 汽車傳動軸無損探傷模型

超聲波傳感器（可采用車軸用超聲波探傷用組合探頭）安裝于傳動軸的兩側，檢測傳動軸內部的疲勞裂紋狀況．ECU將傳感器的輸出信號處理后與ROM中存儲的參考數據（反映金屬內部組織變化的S型曲線的數據）進行對比，并產生控制指令．若ECU判斷出傳動軸內部出現了嚴重的疲勞裂紋，即金屬裂紋進入快速擴展區，ECU將通過指令驅動聲光報警器報警；若ECU判斷出傳動軸內部沒有出現嚴重的疲勞裂紋，聲光報警器不發生報警，但系統將自動保存檢測信息以供駕駛員參考．

3.2 超聲波傳感器的安裝方案

汽車傳動軸連接在變速器與驅動橋的萬向裝置中，由傳動軸及兩端焊接的花鍵軸和萬向節叉組成．由于傳動軸在汽車運行時會發生劇烈振動，所以在安裝超聲波傳感器時會遇到許多難題．

對于空心結構的傳動軸，將超聲波傳感器內置于傳動軸中可在一定程度上防止灰塵和異物對其造成危害，但引出線問題很難得到解決．如果將超聲波傳感器置于傳動軸外部，則必須考慮防水、防塵、減振和耦合介質問題．超聲波在金屬中傳播時的衰減系數非常小，常常忽略不計，但在空氣中傳播時的衰減系數卻很大，因此必須在探頭與傳動軸之間加入耦合介質，可以選擇黃油或者化學漿糊．化學漿糊由羥甲基纖維素與適量水調制而成，有較高的粘性，且溫度變化時不會導致凝膠現象．

超聲波傳感器在傳動軸上的安裝位置有以下3種方案：(1)將超聲波傳感器安裝在傳動軸的載荷最集中處（可由傳動軸的幾何參數及受力特點，利用有限元分析法求得）；(2)在與傳動軸正對著的車架上焊上一個固定的導軌，利用電機拖動，使超聲波傳感器能在導軌上往復運動，以便檢測整根傳動軸；(3)將超聲波傳感器安裝在傳動軸外側，并通過電機控制傳感器在傳動軸上的位置．方案一可達到實時監測汽車傳動軸載荷最集中處的目的，在三種方案中可行性較大，其缺點是只能對傳動軸的某一部位進行實時監測；方案二從理論上講能實現對整根傳動軸的動態檢測，但不易實現且空氣衰減太大；方案三也能實現全軸的動態監測，但難度更大，可行性較小．

[1] 李喜夢．無損檢測[M]．北京：機械工業出版社，2001．

[2] 尚德廣，王德?。噍S疲勞強度[M]．北京：科學出版社，2007．

[3] 黃重國，黃紅磊，袁清華，等．XQ16和20Mn2車軸用剛疲勞失效的微觀機理[J]．北京科技大學學報，2009，31(8)：184．

[4] S. T. 羅爾夫，J. M. 巴拉姆．結構中的斷裂與疲勞控制[M]．北京：機械工業出版社，1985．

[5] 馬西秦，許振中，賴申江．自動檢測技術[M]．3版．北京：機械工業出版社，2008．

[6] 吳新璇．混凝土無損檢測技術手冊[G]．北京：人民交通出版社，2003．

[7] 林維正．土木工程是質量無損檢測技術[M]．北京：中國電力出版社，2008．

[8] 趙負圖．傳感器集成電路手冊[G]．北京：化學工業出版社，2002．

[9] 孫傳友，孫曉斌．感測技術與系統設計[M]．北京：科學出版社，2004．

[10] 吳文琳．汽車電腦原理與檢修[M]．北京：人民郵電出版社，2007．

[11] 陳家瑞，馬天飛．汽車構造[M]．北京：人民交通出版社，2005．

〔責任編輯 張繼金〕

U472.9

A

1006-5261(2010)05-0040-02

2010-01-21

張洪飛（1967―），男，河南新蔡人，高級實驗師，碩士．