汽車驅動橋可靠性試驗方法研究及失效分析

周倩瑤，郭鵬鹍，李妮妮，王秋敏

(中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

驅動橋是車輛的重要組成部分，一般由橋殼、主減速器、差速器、半軸、輪邊減速器等組成[1]。汽車驅動橋處于動力傳動系的末端，其基本功能是增大由傳動軸或變速器傳來的轉矩，并將動力合理地分配給左、右驅動輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力[2]。因此，汽車生產商一般都會對每一批驅動橋進行可靠性試驗，以考核驅動橋的質量。

1 汽車驅動橋試驗標準及疲勞試驗概述

橋殼、主減速器、半軸都是驅動橋的重要零部件，在汽車行駛過程中，一直都承受著交變載荷的作用，一旦出現損壞，將會發生難以預料的事故。因此，驅動橋可靠性試驗主要通過臺架試驗實現，依據汽車行業標準QC/T 533-1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》、QC/T 534-1999《汽車驅動橋臺架試驗評價指標》、QC/T 293-1999《汽車半軸臺架試驗方法》、QC/T 294-1999《汽車半軸技術條件》及企業制定的相應標準，一般包括：驅動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗、驅動橋總成齒輪疲勞試驗、半軸扭轉疲勞試驗。

1.1 驅動橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗

1.1.1 試驗方法

驅動橋橋殼承受著復雜的作用力，尤其是在汽車行駛過程中通過不平的路面、車輪與地面間所產生的沖擊載荷。如果橋殼疲勞強度不夠，會引起橋殼的變形或斷裂。橋殼垂直彎曲疲勞試驗主要是模擬橋殼在實車上的垂向工況，一般取樣5件，以中值疲勞壽命不低于80萬次、且試驗樣品中最低壽命不低于50萬次來評判。如圖1所示，將橋殼安裝在支架上，支點為該橋輪距的相應點，垂直載荷加載點為二鋼板彈簧中心。安裝時加力方向應與橋殼軸管中心線垂直，支點應能滾動，以適應加載變形不致運動干涉。以驅動橋滿載軸荷的2.5倍作為最大載荷，以應力為零時的載荷作為最小載荷，利用液壓疲勞試驗機施加近似正弦波的交變載荷，頻率一般為5～6 Hz，直至橋殼破裂。

圖1 橋殼垂直彎曲疲勞試驗力點、支點的位置簡圖

1.1.2 失效分析

機械零部件在循環載荷的作用下，在某個或者某些應力較大部位產生損傷并且逐漸累積，以致機械性能退化，裂紋產生、擴展直到完全斷裂的失效形式，即為疲勞失效[3]。受到垂向載荷的橋殼，最容易產生疲勞失效的地方是過渡連接的地方，比如說橋殼凸緣與半軸套管過渡區域、板簧位置和橋殼連接焊縫處等。圖2(a)是垂直彎曲疲勞試驗波形曲線，圖2(b)是一款橋殼在28.96萬次試驗后板簧座下側旁開裂的情況，圖2(c)是一款橋殼在42.58萬次試驗后套管與支架處斷裂的情況。可以看出：圖2(b)和圖2(c)的橋殼失效位置均為加載載荷的板簧位置附近。由于橋殼下部受拉應力，上部受壓應力，所以橋殼下方的圓弧過渡處或結構改變處首先形成裂紋。而裂紋的存在會造成應力集中，在承受交變載荷循環一定次數下裂紋會繼續擴展，使橋殼疲勞強度急劇下降，直至強度不足最終造成零件斷裂。此時應該考慮改善板簧座及連接位置的受力狀況，緩解應力集中狀況；對橋殼表面質量進行淬火等強化處理，以提高橋殼疲勞壽命。

圖2 垂直彎曲疲勞試驗曲線和試驗后失效情況

1.2 驅動橋總成齒輪疲勞試驗

1.2.1 試驗方法

齒輪疲勞試驗主要是為了再現實車典型工況中，主減速器錐齒輪相互接觸、承受載荷的疲勞壽命情況。取樣不得少于5件，以中值疲勞壽命不低于50萬次、且試驗樣品中最低壽命不低于30萬次來評判。

關于試驗條件，首先是確定試驗所要加載負荷扭矩大小。表1為一款驅動橋總成的參數，下面以此參數進行計算示例：

按發動機最大扭矩計算試驗載荷：

MPe=Memax·i1=146.5×3.759=551 N·m

按最大附著力計算試驗載荷：

MPφ=P·φ·rk/i0=1 060×9.8×0.8×0.299/4.3=578 N·m

式中：P為滿載軸荷，N；φ為附著系數，取0.8。

依據標準，試驗扭矩取MPe與MPφ之中較小的一個，即MP=551 N·m。

試驗轉速n=3 600/3.759=958 r/min。

表1 驅動橋總成參數

其次是要控制好潤滑油油溫。由于齒輪在嚙合中受到較大的接觸應力，潤滑條件苛刻，油液摩擦產生較大的熱量，升溫較高，為了保證更加真實地重現實車工況，以免影響試驗結果，必須實時控制潤滑油的溫度在規定范圍內，不能過低或過高。一般使用雙曲線齒輪油時，需控制在85～120 ℃。圖3是冷卻方式為水冷的齒輪疲勞試驗現場圖片。

圖3 齒輪疲勞試驗現場圖片

1.2.2 失效分析

齒輪疲勞試驗后的異常情況，幾乎都是齒輪失效，其中包括輪齒斷裂、齒面嚴重剝落或點蝕等形式。齒輪在嚙合過程中，表面層深處會產生脈動循環變化的剪應力。當剪應力超過了齒輪材料的剪切強度極限，齒面會出現疲勞裂紋。隨著裂紋的擴展，最終使齒面出現小塊金屬剝落，在齒面上形成小坑，即為點蝕。當點蝕進一步擴大，就會形成齒面大塊的金屬剝落，嚴重剝落甚至會造成輪齒折斷[4]。圖4是總成齒輪疲勞試驗后出現的斷齒情況，此時需要考慮提高齒輪材料的強度，或通過分析齒輪間嚙合受力情況，改進齒輪結構。

圖4 齒輪疲勞試驗后斷齒情況

1.3 半軸扭轉疲勞試驗

1.3.1 試驗方法

汽車半軸是將差速器與驅動輪連接起來的軸，當汽車平穩勻速行駛時，半軸承受和傳遞恒定的扭矩，半軸在汽車起動、剎車以及在崎嶇道路上行駛時，要承受扭轉交變的沖擊載荷，且載荷值較大，造成半軸斷裂或損傷[5]。由于半軸主要承受的是扭矩，所以扭轉疲勞試驗就是很好的考察半軸壽命質量的方法。同樣地，一般取樣5件，以中值疲勞壽命和試驗樣品中最低壽命來評判。試驗計算扭矩按發動機最大扭矩計算與按最大附著力計算，取兩者中較小的一個。正式進行試驗時，以0.1倍計算扭矩作為最小試驗扭矩，計算扭矩與最小試驗扭矩的和作為最大試驗扭矩，對半軸加載非對稱的近似正弦波，直至半軸出現損壞。由于半軸的端部是花鍵，不能通過直接夾持來加載扭矩，不然很大可能會造成花鍵磨損或者半軸松脫，導致試驗失敗，所以一般會使用半軸端部花鍵配合的半軸齒輪，再固定在法蘭盤上，通過法蘭盤再與試驗機固定，保證試驗正常進行。

1.3.2 失效分析

從結構上分析，半軸主要分為法蘭盤、桿部和花鍵3個部分，如圖5(a)所示。兩端分別與半軸齒輪和車輪連接。花鍵輸入扭矩，桿部傳遞扭矩，法蘭盤輸出扭矩。花鍵與桿部連接處以及半軸桿部與法蘭盤的圓弧連接處，是半軸截面發生變化的過渡圓角處，應為整個半軸應力集中嚴重的部位。在應力集中的局部區域易形成疲勞裂紋，造成疲勞斷裂的現象。圖5(b)是一款半軸在花鍵與桿部連接處斷裂的損壞情況。另外花鍵齒頂部與齒輪直接接觸，受到很大沖擊扭轉力，損壞的概率也較大。

圖5 半軸結構與斷裂情況

2 結束語

結合驅動橋的受力工況和結構情況，具體描述橋殼垂直彎曲疲勞試驗、總成齒輪疲勞試驗、半軸扭轉疲勞試驗的試驗方法，分析實際檢測過程中出現的失效模式，都是由于應力集中產生疲勞裂紋，裂紋擴散進而出現更嚴重的損壞情況。應該注意提高受力集中位置的表面質量，并從結構上改善受力情況，為設計驅動橋做出了參考。

參考文獻:

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[2]呂俊磊,劉有源.汽車驅動橋疲勞試驗控制系統研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2013,37(1):201-204.

LYU J L,LIU Y Y.Research on the Fatigue Test Control System of Cars Drive Axle[J].Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Engineering),2013,37(1):201-204.

[3]秦大同，謝里陽.疲勞強度與可靠性設計[M].北京：化學工業出版社，2013.

[4]楊麗英.汽車驅動橋總成疲勞壽命試驗關鍵技術的研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[5]龐在祥，王占禮，張邦成，等.汽車后橋半軸的疲勞壽命預測分析[J].制造業自動化，2013,35(9):120-122.

PANG Z X，WANG Z L，ZHANG B C，et al.Fatigue Life Prediction Analysis on Rear Axle Shaft[J].Manufacturing Automation，2013,35(9):120-122.

[6]全國汽車標準化技術委員會.汽車驅動橋臺架試驗方法：QC/T 533-1999[S].北京：中國標準出版社，1999.

[7]全國汽車標準化技術委員會.汽車半軸臺架試驗方法：QC/T 293-1999[S].北京：中國標準出版社，1999.