基于六西格瑪設計的汽車傳動軸穩健性分析

姚漢波 張穎 林奇 張大鵬（泛亞汽車技術中心）

傳動軸是汽車傳動系統中一個重要組成部件。汽車發動機的動力，最后是依靠傳動軸傳遞到車輪的。當在急加速、急減速以及顛簸路面時，傳動軸接口將承受沖擊性載荷和交變載荷，所以導致傳動軸損壞最重要或關鍵的載荷形式也多為交變載荷，實際失效的形式也多為疲勞損壞。文中利用有限元仿真方法對某車型的傳動軸接口進行應力分析，并結合臺架試驗對傳動軸的疲勞失效模式進行了研究。用穩健性試驗設計方法[1]，對影響傳動軸疲勞特性的相關因素進行分析，找出敏感因素，有針對性地通過相關措施大幅度改善了該車傳動軸的抗高扭疲勞強度，提高了傳動軸的可靠性。

1 傳動軸六西格瑪穩健性設計

1.1 六西格瑪穩健性設計方法概述

六西格瑪穩健性設計[2]最初的涵義建立在統計學的正態分布基礎上，從統計學概念來講，六西格瑪被定義為6倍的標準差，并考慮了1.5倍的浮動漂移，要求每百萬個產品中的機會缺陷數不多于3.4個，即保證成功幾率為99.999 7%。六西格瑪穩健性設計注重產品的穩健性，按照合理的流程，運用科學的方法，準確理解和把握客戶需求。對產品/流程本身進行穩健性設計，使得產品/流程在低成本下實現穩健性質量水平，同時使產品/流程本身具有抵抗各種噪聲的能力，即便出現環境或制造波動，產品仍能以較高水平滿足客戶的需求。尤其符合汽車這種使用年限長、零部件多而且結構復雜的終端產品的設計理念。因此，在汽車整車設計和零部件設計開發中被廣泛使用。

1.2 傳動軸抗扭疲勞強度評價指標

在對傳動軸的疲勞試驗過程中，一般都是通過對總成的疲勞性能試驗和整車耐久試驗來反映傳動軸的抗疲勞強度性能。而總成的疲勞性能試驗主要分為高周低扭試驗、中周中扭試驗和低周高扭試驗。整車耐久試驗是作為驗證的手段，不在設計中考慮。總成疲勞試驗的時間周期短和規范較苛刻，在設計中作為考核抗疲勞性能的主要指標。針對本車的傳動軸，在對其進行靜扭試驗及高、中、低扭試驗時發現，靜扭試驗、中扭試驗與低扭試驗都達到了試驗要求。但在進行高扭試驗中發現2處異常點：1）循環疲勞次數（1 369次）遠沒有達到試驗要求（3 330次）；2）在高載的情況下，斷裂位置全部都在內節根部，高扭試驗后樣件出現的這種失效形式是不允許的。故針對該車傳動軸，文章將高扭疲勞試驗結果作為傳動軸的抗扭疲勞強度的主要評價指標。高扭疲勞次數必須高于試驗設計要求，且次數越多，抗高扭的疲勞性能越好。高扭疲勞試驗臺架，如圖1所示。

1.3 設計變量及噪聲因子

1.3.1 設計變量的確定

圖2示出傳動軸失效件像分析圖。在對接口內節根部斷口進行分析發現，如圖2斷口低倍形貌所示，中心為三角形部分為終斷區，斷裂源于邊緣。通過圖2斷口邊緣（起裂點）600倍形貌，可以發現斷面上有條紋且表面有裂紋。零件承受的是彎曲或扭轉或二者聯合作用的載荷，零件表面應力最大，表面裂紋的存在，使零件在承受交變載荷時應力集中，從而加速試件的疲勞破壞。

為減少裂紋的產生，從2個方面進行考慮：1）從物理特性方面進行提高，把提高傳動軸根部的表面粗糙度作為控制因子，通過提高表面加工粗糙度減少微裂紋的存在；2）從化學特性方面進行提高，把傳動軸的表面熱處理工藝作為控制因子。在對該傳動軸進行熱處理工藝分析時發現，傳動軸根部一段區域上并沒有進行表面淬火處理，導致金屬的流線沒有連續，出現金屬流線斷裂，容易造成應力集中[3]，如圖3所示。

對傳動軸接口進行靜載的CAE仿真分析，發現傳動軸接口的根部區為應力集中區。所以從幾何方面進行分析，把提高接口根部的拐角半徑作為控制因子，來提高其抗疲勞的能力。由此得出因子水平表，如表1所示。

表1 試驗樣件控制因子水平表

1.3.2 噪聲因子的確定

噪聲因子是指影響系統響應但不受控的因子。所有的系統分析中，都不能忽略噪聲的影響，但越是穩健的系統對噪聲就越不敏感。

針對傳動軸，其使用環境非常惡劣，而且有一部分既沒有進行涂層保護也沒有油的潤滑。水和氧氣容易富集在傳動軸接口的金屬表面，通過電子遷移的腐蝕方式，以含水氧化鐵的形式沉淀在傳動軸接口表面。在應力作用下，腐蝕坑處產生應力集中，形成疲勞腐蝕裂源[4]，從而影響到傳動軸的疲勞性能。雖然對這種腐蝕很難定量地進行描述，但必須要考慮到系統中。在試驗中，考慮到代表性和可行性，使用傳動軸試驗中常用的48 h循環鹽霧腐蝕試驗為噪聲因子。

傳動軸的材料采用的都是特種合金鋼，但里面的微量金屬元素會對淬火區的淬透層深度產生一定的影響。考慮到這種影響很難定量地進行描述，結合工廠的傳動軸樣品庫和相關專家的工作經驗，把該傳動軸接口的淬透層深度分為上極限區和下極限區。由此得出噪聲因子水平表，如表2所示。

表2 試驗樣件噪聲因子水平表

1.3.3 穩健評估試驗表

根據穩健評估試驗選擇要求[5]，穩健評估試驗表，如表3所示。為降低試驗偶然性，提高試驗參數的可靠性，特引入B10疲勞壽命計算方法[6]。它是指收集傳動軸疲勞試驗的失效循環次數，通過統計方法得到10%的傳動軸疲勞失效的循環次數，用B10表征循環次數。如果傳動軸工作到這個次數仍未失效（占90%左右），需要對其進行更換。在文章的樣件試制中，每個水平都有4個樣件進行試驗，從而得出相應的B10循環次數作為最后的試驗輸入。

表3 試驗樣件穩健評估試驗表

2 試驗結果分析及優化方案

2.1 穩健評估試驗結果分析

對于低周高扭疲勞試驗算例[6]，若進行全面試驗，總共需進行32×2×4=72次，而應用文中的因素及水平構建L4穩健評估表，用穩健評估試驗方法尋求優化方案，只需進行32次低周高扭疲勞臺架試驗，試驗結果，如表4所示。

表4 試驗樣件低周高扭試驗分析結果

表4中，S/N為信號噪聲比，可以簡單描述為信號功率和噪聲功率之比，可以相對地衡量系統的穩健性。在表4中可以看出，4#件穩健性最好，其次是2#件和3#件，1#件穩健性最差，遠低于其他3類樣件。

圖4示出試驗樣件穩健評估試驗分析結果。從圖4b可以看出，對于抗低周高扭疲勞性能，控制因子（B）傳動軸接口的整體熱處理對性能影響最大，其次是控制因子（A）表面粗糙度，而控制因子（C）拐角倒圓半徑對整個系統的影響非常小，故放棄對此因子的更改。

2.2 優化方案及改善效果

根據圖4，優化方案選定控制因子A和B。對優化設計方案進行零件級驗證，通過低周高扭疲勞試驗，循環次數由原來的1 369次提高到7 494次，遠超過設計要求的3 330次，優化方案達到預期效果。圖5示出零件疲勞試驗結果對比圖。從圖5可以看出，零件的斷裂部位不在傳動軸接口內節根部，而都在內節，這符合設計初衷，達到了優化效果。

3 結論

1）采用六西格瑪穩健評估試驗設計，結合失效分析與有限元仿真，對某車型傳動軸的抗高扭疲勞強度進行研究，在保證分析結果的基礎上盡可能地減少了試驗次數，快速找出了對低周高扭疲勞強度敏感的因素，然后通過有針對性的措施改善該傳動軸的抗高扭疲勞性能，并在隨后的零件級試驗中得到驗證，將循環次數由原來的1 369次大幅度地提高到了7 494次，遠超過設計要求的3 330次。

2）由于六西格瑪穩健評估試驗方法的應用，最終的優化方案通過更改工藝，實現了質量的零增加，而且很好地控制了單件成本增長。

3）對傳動軸內節接口的設計有了進一步的認知，也為傳動軸抗高扭疲勞的強度設計提供了正確的指導。