驅動橋輸入軸斷裂分析及改善

曠鵬 陳乾

【摘 要】重型商用車的驅動橋在工作過程中，除承受載荷外，還需承受較大的扭矩，對整車的行駛安全性具有較大的影響。某新車型在試驗過程中出現驅動橋輸入軸斷裂的現象，文章通過材質檢測及理論計算，分析工藝過程，對失效因素進行排查，最終找到失效原因，并提出改善措施，改善后驗證效果良好。

【關鍵詞】驅動橋；輸入軸；硬度；金相

【中圖分類號】U467 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0075-03

0 引言

驅動橋是整車動力傳遞的關鍵環節，驅動橋的輸入軸將傳動軸輸出的力矩傳送至車輪，在工作過程中承受較大的扭轉和沖擊疲勞，是關系車輛行駛安全的關鍵零部件[1]。某車型在進行整車定型試驗時，出現驅動橋輸入軸斷裂的現象，需開展原因分析并制定整改措施，以提高新車型質量。

1 斷裂位置

從1#故障件（如圖1所示）及2#故障件（如圖2所示）上可以看出，均為大頭端花鍵齒根部出現扭曲變形及斷裂。該位置變形斷裂的主要原因可能為材質、硬度、金相組織存在異常導致強度降低或者應力集中產生斷裂。

2 材質分析

2.1 材料檢測

表1為故障件材料成分檢驗結果，該零件要求材質為42CrMo，可看出材料成分符合要求（由于1#故障件及2#故障件為同批次零件，材料成分可認為一致）。

2.2 硬度檢測

對故障件進行表面及心部硬度測試，1#故障件及2#故障件的表面硬度均為50 HRC，1#故障件的心部硬度為22～24 HRC，2#故障件的心部硬度小于17 HRC，而理論上要求表面硬度為55～60 HRC，心部硬度為26～32 HRC，均不合格。

2.3 金相組織檢測

表2為金相組織檢驗結果，從中可以得出以下結論。

（1）斷口處齒頂含鐵素體多，組織軟，塑性大，因此斷口處齒輪嚴重扭曲變形。

（2）斷口面心部金相含較多鐵素體，且晶粒粗大，導致心部組織軟，易變形，承受能力弱。

3 理論計算驗證

故障件所配車型為6×4牽引車，該車型的基本配置及載重情況詳見表3，基于該配置信息進行輸入軸受力計算。

3.1 輸入軸扭矩計算

（1）通過發動機最大扭矩計算：M1輸入=M發動機×i0×η=2 060×15.53×0.95=3 039 2.21 N·m（1）

式中：M發動機為發動機最大輸出按矩；i0為變速箱1擋速比；η為機械效率，取0.95。

（2）通過車輪打滑臨界條件計算：

M輸入（3.08）=■=■=27 130 N·m（2）

式中：G為雙橋滿載靜負荷；i主減為主減速比；μ為地面附著系數；η為機械效率，取0.95。

車輪打滑時所承受的扭矩即為輸入軸工作時承擔的最大扭矩，即3.08速比輸入軸最大承載：M（3.08）=27 130 N·m。

3.2 輸入軸彎矩計算

輸入軸上裝有斜齒齒輪，承受齒輪反作用的軸向力及徑向力，受力分析如下。

根據受力分析計算斷口處彎矩：

（1）根據輸入軸x-y平面的受力情況計算斷口處的彎矩大小。

Mx，x-y=6 589.98×0.1=659 N·m（3）

（2）根據輸入軸x-z平面的受力情況計算斷口處的彎矩大小。

Mx，x-z=53 111.8×0.1=5 311.2 N·m（4）

（3）根據圓形截面彎矩合成計算總彎矩大小。

Mx=■=5 351.9 N·m（5）

3.3 斷口應力分析

根據實際硬度檢驗結果估算心部及淬硬層的許用應力[2]（為便于比較計算，取表層硬度為55 MPa，心部硬度為26 MPa）：

[σ心17HRC]≈0.9（49.1+3.174×170-16）

=515.4 MPa（6）

[σ心22HRC]≈0.9（49.1+3.174×220-100）

=582.6 MPa（7）

[σ淬50HRC]≈0.9（49.1+3.174×500+16）

=1 486.9 MPa（8）

[σ心26HRC]≈0.9（49.1+3.174×260+16）

=801.3 MPa（9）

[σ淬55HRC]≈0.9（49.1+3.174×550+16）

=1 629.7 MPa（10）

根據樣件實際情況（半徑R=30 mm；淬硬層深δ=7 mm）進行計算。

則抗扭模量：Wt=■=42.39×10-6 m3（11）

抗彎模量：Wx=■=21.2×10-6 m3（12）

根據公式τ=■，計算輸入軸扭轉應力：

τ=■×106=640 MPa（13）

根據公式σ=■，計算輸入軸彎曲應力：

σ=■×106=252.45 MPa（14）

則截面受到的最大應力為σ=■=688 MPa，位于斷口外表面。

3.4 安全系數計算

分別對斷裂樣件、合格樣件進行理論及實際應力和扭矩計算[2]，可得出其安全系數，計算結果如下。{1}合格樣件（心部硬度為26 HRC，表面硬度為55 HRC）：理論最大極限應力為1 043.9 MPa，實際計算最大應力為688 MPa，安全系數為1.52。{2}1#故障件（心部硬度為22 HRC，表面硬度為50 HRC）：理論最大極限應力為768.1 MPa，實際計算最大應力為688 MPa，安全系數為1.12。{3}2#故障件（心部硬度為17 HRC，表面硬度為50 HRC）：理論最大極限應力為670.9 MPa，實際計算最大應力為688 MPa，安全系數為0.98。

根據前面計算及金相分析，得出結論如下：{1}通過金相分析，心部鐵素體成粗大晶粒，組織較軟，強度低，可塑性大，在受到較大載荷時，在心部容易發生變形而導致失效。{2}根據斷面分析，垂直軸向的斷裂模式主要為解理斷裂，斷裂方向為晶向。{3}根據金相分析，花鍵齒頂的馬氏體組織少，鐵素體+珠光體結構，導致硬度低，容易產生嚴重扭曲變形。{4}根據受力計算，在打滑工況下，由于心部硬度不足，強度較低，導致輸入軸整體承載能力下降（安全系數下降），降低26%～36%；結合金相分析，花鍵處淬硬層存在不均勻且深度不足等問題，增加風險程度，故輸入軸存在斷裂風險。

4 工藝過程分析

（1）心部組織為珠光體+索氏體+網狀、塊狀鐵素體：主要原因是調質冷卻效果不良引起，淬火時采用整框（20件/框）豎直式吊入，導致中間部位個別零件冷卻效果不佳。

（2）表面硬度偏低：主要原因為淬火液濃度偏高，PAG淬火液濃度要求為7%～10%，正常添加淬火液時，操作工人憑經驗添加，未能進行檢測，導致濃度偏高。

5 改進方案及效果

5.1 改善措施

（1）取消退刀槽，減少應力集中。

（2）采用單根懸掛淬火，避免中間部位個別零件冷卻效果不佳。

（3）嚴格按規定控制淬火液濃度的添加，采用折光儀對淬火液濃度進行檢測，達到7%～10%的要求后方能進行生產。

5.2 改善前后強度計算

如圖3及圖4所示，A、B位置為故障件斷裂及應力較大位置，對此2處位置進行改善前后的強度計算，計算結果詳見表4，可看出強度得到較大提升。

5.3 試驗驗證效果

通過上述改善后的輸入軸裝車進行3萬km定遠試驗場強化路試驗，未再出現輸入軸斷裂問題，改善效果良好。

6 建議

驅動橋作為重型汽車重要的零部件系統，在開發過程中有以下幾點建議：{1}應根據實車使用環境、運行工況進行理論計算，分析材料是否滿足強度要求。{2}零件結構在滿足加工工藝的前提下，應盡量避免出現應力集中的位置。{3}生產過程的關鍵工藝應作為重點監控環節，提高過程一致性。{4}制訂有效的外購件材質抽查檢驗計劃，避免不合格件流入。

參 考 文 獻

[1]徐珊珊，萬從貴，王海朔.某驅動橋半軸套管斷裂分析和優化設計[J].科技與企業，2012（11）.

[2]袁玉明，徐以軍，楊建威.軸類零件表面淬硬層深度的確定[J].山東冶金，2003（4）.

[3]余兆新，謝靈揚.42CrMo鋼硬度與強度關系研究[J].裝備制造，2009（4）.

[責任編輯：陳澤琦]