某驗證商用車傳動系萬向節異常磨損初步研究和設計改進

孟凡生（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京101400）

某驗證商用車傳動系萬向節異常磨損初步研究和設計改進

孟凡生
（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京101400）

商用車傳動系中萬向節磨損是一種比較常見的故障，如何延長萬向節使用壽命，需要從設計研發、生產制造、應用維護等各個環節精益求精，其中萬向節的擺角、密封結構、滾針結構、十字軸本體的材質、硬度、熱處理工藝等對萬向節磨損做了較大的貢獻。本論文從上述各環節對萬向節進行了改進，措施改進有效，得到良好的效果，值得推展。

萬向節；磨損；擺角；密封

1　前言

2013年1月份，在定遠試驗場我司生產的某款試制商用車在可靠性能驗證中頻繁出現萬向節批量異常磨損故障，平均故障里程為3000～4500Km就要更換，壽命使用期限10～15天，造成車輛運行效率低，驗證成本偏高。該問題若不解決，肯定會帶來更大的市場問題，故障照片見下圖1：

由上圖可見，十字軸軸徑有麻點坑狀磨蝕，且有缺油干燒痕跡，需要對該問題進行解決。

2　原因分析

2.1故障車輛基本情況

該車輛主要是為礦區研發，運載貨物主要有煤炭、鐵礦石、城建渣土等；表1為該車型的基本配置：

表1　故障車技術狀態

2.2萬向節磨損的幾種因素

萬向節磨損是一種比較常見的故障，一般分為三個階段

1）跑合磨損：該階段可改變萬向節加工中初始表面粗糙度特性，形成了較為穩定的有利于實際工況的表面形貌，萬向節在本階段的車輛運行里程大約在1000Km左右。

2）穩定磨損：此時的摩擦條件相對恒定，該階段代表了萬向節工作使用壽命的長短，車輛運行里程大約在45000Km以上。

3）劇烈磨損：零件經過長時間工作后，零件表面遭到破壞，運動副中的間隙增大從而產生振動、沖擊、噪聲，摩擦副的溫升和磨損速度急劇增大，零件很快報廢。

萬向節異常磨損是指萬向節沒有經過穩定磨損階段，直接進入了快速劇烈磨損階段，而且是隨著工作時間的延長，溫升越來越高，磨損越來越劇烈，直至失效。萬向節正常磨損與異常磨損的工作曲線見下圖2.1：

4）導致萬向節異常磨損的幾種因素

一般來講，導致萬向節異常磨損的原因有多種，簡單總結有以下幾點：

①萬向節生產廠家的原材料控制、機加工水平、熱處理水平、裝配水平；

②萬向節軸承密封設計存在缺陷；

③萬向節總成零部件特別是滾針結構設計不合理，存在應力集中；

④傳動軸布置不合理，萬向節空間擺角過大；

⑤整車布置時，萬向節選型偏小，耐疲勞強度偏低；

⑥潤滑油脂的選擇

本文從我司試驗車中對萬向節產生異常磨損故障的原因做了相關分析，著重在車輛傳動軸布置、密封結構、滾針結構、潤滑油脂等方面進行了原因分析并進行了優化設計改進，在隨后的整車可靠性能驗證中，沒有出現萬向節異常磨損故障，改進措施有效，可以推展。

2.3故障車萬向節異常磨損原因分析

1）故障車輛傳動軸布置

試制樣車傳動軸布置采用兩根傳動軸、三個萬向節的布置方式，萬向節規格為Φ68×165.5， Φ 140×6的軸管，鑒于空載狀態傳動軸承受的扭矩較小，造成萬向節磨損失效是車輛滿載狀態為主，校核滿載傳動軸姿態夾角原布置方案V向校核見下圖2.2：

由上圖2.2可見，傳動軸夾角在V向方向布置不大，且符合行業標準；校核該車型傳動軸布置俯視圖（見圖2.3）可見，由于中橋輸入法蘭向右有100mm的偏置距，導致前、后傳動軸不同心，第二節傳動軸向右H向有個6.11°的偏擺角，使萬向節空間最大擺角值增大，可用以下公式計算：

試制車萬向節空間擺角校核見下表二：

由表二可見第二節傳動軸與車橋主減中心線萬向節空間擺角達到了6.42°，已經達到了標準的上限；萬向節空間擺角大，造成萬向節擺動幅度大，承受的擠壓力也會加大，從而引發十字軸軸徑、滾針的早磨。研究表明，當夾角由4°增至16°時，萬向節滾針軸承壽命下降為原來的1/4，一般規定工作狀態萬向節空間擺角≤7°，因此有必要對萬向節的空間擺角進行改善。

2）滾針軸承的接觸應力［1］校核

因試驗車萬向節沒有發生斷裂故障，故萬向節強度不是主要問題，又因為是磨損故障，故需要對滾針軸承的接觸應力進行分析，萬向節受力圖見圖2.5：

根據公式

當滾針和十字軸軸頸表面硬度在HRC58以上時，計算出的接觸應力應小于3000～3200 N/mm2

式中d一滾針直徑，mm；取d=6.03 mm

Q一在載荷F作用下一個滾針所受的最大載荷，

式中i一滾針列數；i=2

Z一每列中的滾針數；取Z=28

L一滾針工作長度，L=14mm

dl一十字軸軸頸，dl=47.77mm；

表2　萬向節空間擺角

表3　十字軸化學成分分析

F一作用在軸頸中點的力,根據車輛配置及載荷，推導出 F=116832N

代入公式，可得出δ=3079 N/mm2，符合使用要求，從計算結果來看，處在許用應力上限，需要改進；但由于該車采用的Φ68×165.5規格的萬向節是目前商用車領域最大規格的萬向節，如果要開發一款更大規格的萬向節，需要的時間周期較長，目前我司已列計劃，本文改進措施暫不體現。

3）故障車失效萬向節實物剖析

①十字軸化學成分、硬度、金相分析見下：化學成分分析見表3

檢查結果表明，十字軸材質滿足20CrMnTi的材料要求，化學成分合格。

十字軸硬度檢測見下表4：

表4　十字軸硬度檢測

對照分析，硬度及淬火層深度均合格。

c、金相檢查

金相組織的檢查結果表明，滲碳組織為馬氏體及少量殘余奧氏體，芯部區組織為低碳馬氏體及碳化物組織，金相檢查合格。

有上分析可知：十字軸化學成分、硬度、金相組織均符合技術要求，本次試驗車萬向節異常磨損與十字軸的材質、熱處理等關聯不大。

②異物侵入檢測

拔開失效萬向節未脫落的軸承，發現內部污染嚴重，油脂發黑，明顯有泥沙、水分侵入，視鏡下觀察，表面呈麻點狀磨損，局部比較嚴重，為外部異物侵入而導致，表明密封結構設計需要改進（見圖2.8,2.9,2.10）。

檢查失效萬向節軸承密封結構，該密封結構為早期的標準型密封，見下圖2.11，2.12：

失效萬向節密封結構采用過盈式接觸密封，密封圈硬度較高，其中一個密封唇與十字軸軸頸根部倒角處相抵觸，由于十字軸軸頸根部倒角處粗糙度不好控制（通常與密封唇相配的配合面的粗糙度要求在3.2μm以下），如果表面粗糙度值處在上差，就會使密封唇口磨損加劇，從而產生漏油。該密封結構還存在以下缺陷：在萬向節往復的擺動運動中，密封面上的潤滑脂易被擠出，加上外部泥沙的侵蝕，首先接觸面發生磨損，后期泥沙、水分、灰塵侵入內部，造成萬向節異常磨損；所以要得到長期的良好的密封性能，就應盡量減少密封及其接觸面雙方的磨損，密封接觸面的補油要充分，密封接觸壓力不要過大。

③滾針結構

故障車失效萬向節軸承滾針采用圓柱式，見下圖2.13：

該結構滾針在實際應用中邊緣存在應力集中，見下圖2.14，該應力對軸徑磨損較大，需要改進。

④防塵罩結構

故障車失效萬向節軸承防塵罩使用的是尼龍66材料（見圖2.12，序號5）低溫脆性溫度為-20℃左右，耐寒性差，防塵罩在低溫狀態下容易產生性能的變化，致使防塵罩硬化變形龜裂甚至斷裂，無法達到防塵效果，需要改進。

⑤萬向節軸承潤滑油脂分析

故障車失效萬向節軸承選用的油脂是復合鋰基脂，其指標為滴點大于250℃，使用溫度-30～120℃，極壓性能為2 800N；雖然此種油脂性能比二號汽車通用鋰基脂優越，但根據卡車使用環境條件的惡劣狀況，已不能滿足實際使用要求，需要改進。

小結：通過以上分析，本故障車萬向節異常磨損有以下幾個原因，見下圖2.15：

3　針對試驗故障車萬向節異常磨損的幾點改善措施

1）傳動軸布置改進：懸掛前、后傳動軸中間減震支撐的吊架采用偏心結構，使前、后傳動軸同心，最大限度減小后傳動軸偏擺角，見下圖3.1：

改進后，滿載狀態萬向節空間夾角優化為3.56°，較原布置方案減少了2.86°，根據相關驗證統計，萬向節空間夾角在3.5°左右，萬向節的磨損壽命可達到期望值的85%左右。

2）萬向節軸承密封改進：把原密封結構的硬擠壓式接觸密封，改成柔性止推斜面接觸密封，增設防塵唇及報軸彈簧，防止外部灰塵、泥水侵入及內部潤滑油脂的流失，柔性止推斜面接觸比擠壓式接觸性能更優越，磨損壽命長。

主密封面選在十字軸或軸承的圓柱面，由于圓柱面尺寸誤差可以加工得很小，從而減小了密封唇的過盈量偏差。

3）軸承滾針的改進：在滾子軸承中，圓柱形滾子與滾道之間接觸壓力呈奇異分布，而導致軸承發生早期疲勞失效。凸度滾針是消除滾針應力集中、提高滾針軸承使用壽命的主要措施。此次改進選擇了圓弧全凸素線型滾針替代圓柱形滾針，避免使用過程中斷裂的可能性見下圖3.3，3.4：

利用ANSYS有限元分析軟件進行應力分析，可以看出，兩端不存在應力集中，滾針受力比較均勻，見圖3.5：

4）防塵罩結構改進：新設計一種鋼制骨架膠合橡膠硫化成形的防塵罩，通過試制試驗，密封效果好，而且解決了低溫環境下萬向節的密封性能。

5）萬向節潤滑油脂的改進：通過對現用油品的分析，需要提高潤滑油脂的各項性能，通過與國內生產潤滑脂的供應商聯系，發現某合資公司生產的一種復合尿基脂的指標為滴點大于280℃，使用溫度-30～200℃，極壓性能高達9 800N，它的耐高溫性能及極壓性能均比復合鋰基脂要好，通過典型產品性能對比試驗，使用此種復合尿基脂的磨損壽命比使用原復合鋰基脂壽命長70%以上，為此，我們針對該萬向節選用了此種油脂代替原復合鋰基脂。

4　結束語

試驗車萬向節經過上述改進后，可靠性驗證里程又跑了近5萬公里，包括泥水、坡道、高速等各種路面，萬向節沒有出現異常磨損故障，改進措施有效，試驗故障信息封閉。

目前控制萬向節空間擺角已列入我司整車開發中傳動軸布置設計規范，規定萬向節空間擺角≤4.5°，其余的改進措施形成技術通知下發給我司質量檢驗部門及供應商，做為產品采購檢驗標準。

［1］王望予 汽車設計［M］北京：機械工業出版社, 2004, p128.

［2］張洪欣 汽車設計：機械工業出版社, 1999, p112.

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王為人：

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The Preliminary Study And Design Improvement Of The Abnormal Wear Of Universal Joint In The Transmission System Of A Commercial Vehicle

MENG Fan-sheng
（Beijing Foton Daimler Automotive Co., Ltd., Beijing 101400, China ）

Commercial vehicle transmission Cardan wear is one of the common faults and how to prolong the cardan service life, need from R & D, design, manufacturing, application and maintenance all aspects of excellence, which the gimbal swing angle, sealing structure, needle structure, cross axis of the body material, hardness, heat treatment process of the universal joint wear made a greater contribution. This paper from the above aspects of the universal joint has been improved, received a good effect, get the user's affirmation.

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U467.1

A

1005-2550（2016）03-0025-06