輪轂電機半軸斷裂問題分析及處理方案

袁清輝,楊權(quán),華超

(1.比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東深圳 518118;2.廣州汽車集團股份有限公司，廣東廣州 511434)

0 引言

近年來，為應(yīng)對環(huán)境問題，解決資源緊缺現(xiàn)狀，國內(nèi)外很多高校、科研院所和企業(yè)都陸續(xù)開展了交通電動化的研究，并取得了明顯的成果。電動汽車的研發(fā)已經(jīng)成為各國發(fā)展方向，尤其在電動公交方面，已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略的高度。

在驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)中，需要提高驅(qū)動效率，縮短機械傳動鏈，充分利用車載能量來提高續(xù)航里程[1-2]。由于多電機輪邊獨立驅(qū)動系統(tǒng)[3](見圖1)結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效提高空間利用率，通過驅(qū)動輪的電子差速等提高車輛的行駛性能。因此，現(xiàn)有電動大巴動力系統(tǒng)方案采用輪邊獨立驅(qū)動系統(tǒng)。

圖1 輪邊獨立驅(qū)動橋系統(tǒng)示意圖

驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)剖視圖如圖2所示，半軸是傳動結(jié)構(gòu)中傳遞動力最重要的軸類構(gòu)件，運轉(zhuǎn)中受力情況復(fù)雜，承受著彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷的作用，構(gòu)件失效后往往會造成嚴(yán)重的后果，引起其他重要機件的損毀及引發(fā)安全事故。某車型在運營過程中出現(xiàn)后輪行星端卡死，拖回服務(wù)站拆卸后發(fā)現(xiàn)半軸差速器端斷裂，為預(yù)防問題再次發(fā)生，避免不必要的經(jīng)濟損失，進行了相關(guān)分析與檢測。

圖2 驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)剖視圖

1 斷裂問題宏觀分析

對斷裂半軸進行宏觀觀察，半軸材料牌號為SAE 8620H(低碳合金鋼，類似國內(nèi)牌號20CrNiMo)，裝配位置如圖2所示。半軸兩端為花鍵，呈對稱，斷裂一端也在花鍵位置[如圖3(a)所示]，從另一端未斷裂位置可知由于起限位作用，截面過渡區(qū)的花鍵存在一臺階，半軸沿該臺階發(fā)生整體斷裂[如圖3(b)所示]。對斷口進行觀察，發(fā)現(xiàn)其斷口特征為棘輪狀，屬于典型的彎曲扭轉(zhuǎn)斷裂，斷口幾乎沿臺階根部發(fā)生，裂紋始于斷面磨擦較大區(qū)域，但無法觀察到具體裂紋源特征點，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力下半軸沿圓周發(fā)生撕裂，中央黑色區(qū)域為最后一次性斷裂區(qū)[4][如圖3(c)所示]。

圖3 半軸斷裂圖

2 斷裂問題分析

2.1 半軸齒輪花鍵校核

半軸齒輪花鍵校核需要核算花鍵齒面接觸強度和花鍵齒根剪切強度[5]。

(1)花鍵齒面接觸強度

輸入轉(zhuǎn)矩:

T=9 549·P/n

(1)

式中：T為輸入給花鍵副的轉(zhuǎn)矩，N·m；P為輸入給花鍵副的功率，90 kW；n為花鍵副的轉(zhuǎn)速，1 280 r/min。

名義切向力：

Ft=2 000·T/D

(2)

式中：Ft為花鍵副所受的名義切向力，kN；D為漸開線花鍵分度圓直徑，72 mm。

單位載荷:

W=Ft/(Z·L·cosαD)

(3)

式中：W為單一鍵齒在單位長度上所受的法向載荷，N/mm；αD為漸開線花鍵齒形分度圓上的壓力角，45°；L為內(nèi)花鍵與外花鍵相配合部分的長度，5.5 mm；Z為花鍵的齒數(shù)，36。

花鍵齒面壓應(yīng)力：

σH=W/hw

(4)

式中：σH為鍵齒表面計算的平均接觸壓應(yīng)力，MPa；hw為鍵齒工作高度，即外花鍵大徑(Dee=76.8 mm)與內(nèi)花鍵小徑(Dii=67.5 mm)的差值[(Dee-Dii)/2]，為4.65 mm。

齒面許用應(yīng)力:

[σH]=RP0.2/(SH·K1·K2·K3·K4)

(5)

式中：RP0.2為規(guī)定塑性延伸強度，即應(yīng)變達到0.2%時的屈服強度，785 MPa；SH為齒面接觸強度的計算安全系數(shù)，1.25；K1為考慮由于傳動系統(tǒng)外部因素而產(chǎn)生的動力過載影響的系數(shù)(使用系數(shù)1.0)；K2為當(dāng)花鍵副承受壓軸力時，考慮花鍵副齒側(cè)配合間隙(過盈)對各鍵齒上所受載荷影響的系數(shù)(齒側(cè)間隙系數(shù)2.0)；K3為考慮由于花鍵的齒距累積誤差(分度誤差)，影響各鍵齒載荷分配不均的系數(shù)(分配系數(shù)1.0)；K4為考慮由于花鍵的齒向誤差和安裝后花鍵副的同軸度誤差，以及受載后花鍵扭轉(zhuǎn)變形，影響各鍵齒沿軸向受載不均的系數(shù)(軸向偏載系數(shù)1.0)。

花鍵齒面接觸強度判據(jù)：

σH≤[σH]

(6)

(2)花鍵齒根剪切強度

齒根最大扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力：

τFmax=τtn·αtn

(7)

式中：τtn為靠近花鍵收尾處的剪切應(yīng)力，MPa；αtn為應(yīng)力集中系數(shù)。

(8)

式中：dh為當(dāng)量應(yīng)力處的直徑，相當(dāng)于光滑扭棒的直徑，72 mm。

(9)

式中：h為花鍵的全齒高，即外花鍵大徑(Dee=76.8 mm)與內(nèi)花鍵小徑(Die=67的差值[(Dee-Die)/2]，為4.9 mm；ρ為外花鍵齒根圓弧最小曲率半徑，72 mm。

許用剪切應(yīng)力：

[τF]=[σF]/2

(10)

許用彎曲應(yīng)力：

[σF]=Rm/(SF·K1·K2·K3·K4)

(11)

式中：Rm為花鍵齒面彎曲強度，950 MPa；SF為彎曲強度安全系數(shù)，1.50。

花鍵齒根剪切強度判據(jù)：

τFmax≤[τF]

(12)

根據(jù)式(1)—(12)，校核參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 校核參數(shù)結(jié)果

由上表校核結(jié)果可知：花鍵齒面接觸強度判據(jù)：σH≤[σH]，花鍵齒根剪切強度判據(jù)：τFmax≤[τF]。故半軸齒輪的花鍵強度能夠滿足使用工況。

2.2 化學(xué)成分檢測

對半軸取樣進行化學(xué)成分分析[6-7]，結(jié)果如表2所示，可知其成分符合SAE 8620H要求。

表2 半軸化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

2.3 金相分析

根據(jù)半軸零件熱處理工藝過程：下料→鍛造→正火→粗車→精車→插花鍵→滲碳淬火→回火→一次校正→二次校正，為驗證熱處理工藝是否符合要求，對其做金相組織分析。在斷口附近取樣，沿半軸花鍵橫截面觀察齒部情況，依據(jù)GB/T 25744-2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》，齒腰處針狀馬氏體級別評為2級，殘余奧氏體級別評為2級(見圖4)，齒頂碳化物級別評為1級(見圖5)，芯部組織為大量條狀、塊狀鐵素體+少量馬氏體(見圖6)。由于斷裂處為臺階過渡區(qū)，對該區(qū)域沿縱截面觀察兩側(cè)花鍵，其表面滲碳工藝一致，零件為整體滲碳[6-8](見圖7)。

圖4 表面齒腰組織(500×放大倍率)

圖5 表面齒頂組織(500×放大倍率)

圖6 芯部組織(500×放大倍率)

圖7 花鍵臺階過渡區(qū)滲層情況(6.3×放大倍率)

2.4 硬度檢測

對花鍵部位進行有效硬化層深度測量，測量位置為從齒底開始，依據(jù)GB/T 9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，測得有效硬化層深度約0.27 mm(見圖8)，符合圖紙要求的滲層深度要求0.2～0.5 mm。從測量結(jié)果可知表面硬度大于650HV，亦符合圖紙要求[6]。

圖8 有效硬化層測量

對芯部進行硬度測量，測得維氏硬度值為270、275、282HV，依據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》，將其轉(zhuǎn)換為洛氏硬度約為27.5～29.5HRC，不符合圖紙要求的30～45HRC。

3 結(jié)論

根據(jù)以上結(jié)果，零件化學(xué)成分符合SAE 8620H要求，半軸表面熱處理工藝為滲碳淬火回火，表面組織和硬度符合技術(shù)要求，芯部硬度較低是因為芯部基體存在較多鐵素體，工藝要求芯部應(yīng)為板條狀馬氏體，說明零件淬火時沒有淬透，導(dǎo)致芯部力學(xué)性能強度較低，是發(fā)生斷裂的主要原因。

此外，從應(yīng)用上來說，引起半軸斷裂的其他問題分析如下：

(1)半軸硬化層梯度降較大。硬度梯度降代表了零件從表面到芯部的硬度平緩程度，從測量結(jié)果的有效硬化層深度和硬度值判斷，半軸硬度梯度降較大(通常認(rèn)為每隔0.1 mm，40HV的硬度梯度降屬于正常)，即硬度降落差大，造成表面過硬芯部過軟，且過硬部分又急速向過軟方向發(fā)展，導(dǎo)致零件綜合性能降低。

(2)半軸工作時承受較大的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力。要求表面強度高而芯部具有一定的綜合性能，因此表面硬化層深度不能太淺，圖紙要求0.2～0.5 mm，而試驗測得深度約0.27 mm，處于要求的下限。但對于軸類零件來講，由于其承受的應(yīng)力主要為扭轉(zhuǎn)和彎曲，耐磨性為次要，該硬化層深度實際上過淺，一定程度上降低零件的疲勞耐久性。

(3)斷裂位置位于花鍵限位處，此處存在的臺階會引起應(yīng)力集中，對斷裂帶來一定的影響。

對半軸斷裂提供的處理方案為：

(1)半軸直徑較大，雖加入一定量低合金鋼材料有助于淬透性的合金元素，但仍沒有淬透芯部，因此控制淬火工藝是解決問題的關(guān)鍵。

(2)對于軸類零件來說，由于其不同于齒輪的工況(不需要很強的耐磨性)，在材料上若選用中碳合金鋼整體調(diào)質(zhì)后再進行表面淬火，效果要比現(xiàn)行熱處理方案更好。

(3)起限位作用的根部臺階可按設(shè)計確認(rèn)是否增大圓角過渡，或采用其他結(jié)構(gòu)避免臺階的存在引起應(yīng)力集中。