球籠式等速萬向節(jié)星形套溝道剝落分析

吳望才,王水龍

(蕪湖佳先傳動軸有限公司，安徽 蕪湖 241100)

星形套是球籠式等速萬向節(jié)的關鍵零件，星形套在鐘形殼內(nèi)部，通過鋼球在溝道中的旋轉(zhuǎn)滾動把從半軸桿傳導過來的力矩傳遞給鐘形殼。使用過程中，星形套溝道比鐘形殼溝道更易發(fā)生磨損，且大多表現(xiàn)為剝落，故有必要對星形套溝道剝落的原因進行分析。

1 溝道點蝕和剝落現(xiàn)象

球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：過星形套溝道中心的鋼球回轉(zhuǎn)中心徑D=60.46 mm，鋼球直徑Dw=17.463 mm,星形套球面直徑Dq=58.4 mm,鐘形殼球面直徑Dz=66.75 mm,保持架內(nèi)球面與星形套外球面間的配合間隙為0.04 mm,單側(cè)配合間隙β=0.02 mm。

鋼球與溝道接觸時接觸面較小，會產(chǎn)生較大的局部應力。球籠式等速萬向節(jié)在車輛行駛過程中旋轉(zhuǎn)，鋼球在溝道中心部位一段距離內(nèi)不斷往復滾動旋轉(zhuǎn)并同時向溝道表面施加壓力，所產(chǎn)生的接觸應力和剪切應力交變循環(huán)次數(shù)超過一定限度后，溝道表面會產(chǎn)生細微的疲勞裂紋，并逐漸擴展形成疲勞剝落。捷達球籠95型星形套試驗后發(fā)生的剝落如圖2所示。

圖1 球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)

圖2 星形套點蝕和剝落實物圖

2 剝落原因分析

剝落與正常磨損不同，金屬不是以微粒形式被磨損掉，而是以成塊形式發(fā)生剝落，造成表面凹坑，嚴重破壞溝道形狀。該現(xiàn)象破壞了鋼球在溝道表面的正常滾動，并由此產(chǎn)生更嚴重的剝落，有時甚至導致鋼球表面也同步剝落。導致剝落的原因有：1)溝道幾何精度；2)表面粗糙度；3)材料及熱處理；4)潤滑。

2.1 溝道幾何精度

影響溝道幾何精度的因素主要有溝道分度誤差，過星形套溝道的鋼球回轉(zhuǎn)中心O′與星形套球面中心Ox不同軸產(chǎn)生的單個溝道相對星形套外球面的位置誤差，溝道橫截面形狀誤差。

2.1.1 溝道分度誤差

球與鐘形殼和星形套的接觸如圖3所示，若其中一溝道分度誤差為0.08°，則溝道接觸點的位置偏差為

0.024 mm，

(1)

假設徑向游隙Gr最大值為0.03 mm，則單邊溝道接觸點的最大間隙為

(2)

顯然l>δmax/2,各溝道受力不均，接觸應力和剪切應力增大，易發(fā)生點蝕和剝落。

圖3 球籠式萬向節(jié)球與鐘形殼和星形套的接觸示意圖

2.1.2 位置誤差

如圖4所示，假設鐘形殼球面與保持架外球面之間的徑向配合間隙中值為0.04 mm，星形套球面與保持架內(nèi)球面之間的徑向配合間隙中值為0.04 mm，則星形套球面與保持架內(nèi)球面之間的單側(cè)配合間隙值β=0.02 mm。若星形套某溝道與外球面的位置偏差s=0.04 mm，則溝道與鋼球接觸點位置偏差l為

圖4 星形套球面與溝道的位置關系示意圖

(3)

即l>β，接觸點受到擠壓，接觸應力和剪切應力增大，易發(fā)生點蝕和剝落。

統(tǒng)計得2001—2016年春季暴雨雨日共11 d,通過影響系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)(表1),在11次過程中,有8次暴雨都伴隨有低空切變和地面倒槽的存在;高空槽,低空急流,地面冷空氣也是重要的影響系統(tǒng);春季是冷空氣較為活躍的季節(jié),有4次過程是高空有槽東移或急流存在,中層配合切變或低空急流,而地面先為倒槽控制,之后冷空氣南下影響,冷暖空氣交匯導致暴雨的發(fā)生。另外東北冷渦也是非常重要的影響系統(tǒng),有4次暴雨與之有關。

2.1.3 溝道橫截面形狀誤差

溝道橫截面是圓弧形，其半徑比鋼球半徑稍大，如圖5所示。在鋼球與溝道底部接觸時，除受徑向接觸應力外，還存在較大的剪切應力，使溝道表面產(chǎn)生剝落。鋼球與溝道底部存在一定徑向游隙時，星形套傳遞轉(zhuǎn)矩過程中，在力的作用下，鋼球與溝道底部先發(fā)生切向滑移而后相互接觸。在傳遞轉(zhuǎn)矩過程中鋼球與溝道的接觸狀態(tài)如圖6所示。鋼球中心與溝道圓弧中心距離OO1=R1-Dw/2，令OO1=e，則圓弧溝道方程為

(4)

圖5 圓弧形溝道示意圖

圖6 在傳遞轉(zhuǎn)矩過程中鋼球與溝道的接觸狀態(tài)

2.2 表面粗糙度

星形套溝道在工作過程中因循環(huán)交變擠壓和剪切載荷導致產(chǎn)生接觸疲勞，而表面粗糙度對接觸表面疲勞強度的影響很明顯。在交變載荷作用下，零件表面微觀不平和表面缺陷都會引起應力集中，易出現(xiàn)疲勞裂紋、點蝕、剝落。

2.3 材料及熱處理

材料選擇不當會導致熱處理后的溝道出現(xiàn)以下缺陷：1)表面韌脆不當，在受到接觸疲勞壓力后形成裂紋或崩塌，產(chǎn)生剝落；2)表面碳濃度過高導致脆性大，產(chǎn)生磨削龜裂紋，逐步形成剝落；3)熱傳導性能差導致微變形產(chǎn)生的磨損，形成剝落。

熱處理工藝不當也會產(chǎn)生以下幾種導致剝落的缺陷：1)熱應力產(chǎn)生的熱處理微裂紋；2)因淬火過程中組織轉(zhuǎn)化形成的相變應力導致的內(nèi)應力微裂紋；3)未及時回火導致殘余應力過大產(chǎn)生的微裂紋；4)淬火冷卻不當產(chǎn)生的裂紋或內(nèi)應力未消除；5)鋼材實際含碳量超標且溫度控制不合理導致的內(nèi)裂紋或表面微裂紋；6)加熱不足，保溫時間不夠?qū)е碌能淈c；7)表面碳濃度過高導致的磨削龜裂紋；8)磨削時冷卻不充分使表面局部硬度降低，導致磨損從局部突破形成點蝕、剝落；9)淬火過程中產(chǎn)生的過共析層+共析層比例不當，導致C-N共滲層與鋼基體不能牢固結(jié)合而形成剝落。

2.4 潤滑

球籠式等速萬向節(jié)是終身一次性注脂維護，潤滑脂對星形套的點蝕和剝落產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在以下4個方面：1) 油量不足。當油脂量不足時，最大應力處的油膜厚度不足以隔開接觸表面，鋼球與溝道表面會因直接接觸產(chǎn)生應力集中和剪切力。2)油脂抗高溫性能不夠。隨溫度升高，潤滑脂表觀黏度降低，油膜厚度減小，導致潤滑油膜抗壓強度降低，接觸疲勞壽命下降。3)潤滑脂抗壓性能不夠。若油脂中未添加極壓劑、減磨劑，則會導致所形成的油膜承受鋼球與星形套溝道徑向剪切及擠壓載荷的能力減弱，導致油膜損壞。4)潤滑脂表觀黏度不合適。表觀黏度過大，潤滑脂摩擦因數(shù)越大，摩擦磨損越大；表觀黏度越小，潤滑脂在摩擦副表面附著力越小,油膜厚度及油膜強度都相應減小,導致摩擦副表面過早剝落。

3 改進措施

圖7 尖拱形溝道橫截面

2)溝道表面粗糙度Ra值應在0.4～0.8 μm之間最佳。

3)對于一般經(jīng)濟車型,選擇20Cr即可滿足要求；對于較大型車及使用頻率極高,操作工況較粗放的出租車，如捷達球籠95型，選擇20CrMnTi更合適；對于越野車、跑車類，選擇20CrNiMo等性能更好的材質(zhì)。

4)95型星形套C-N共滲的淬火工藝如圖8所示。使低碳馬氏體合金結(jié)構(gòu)鋼需要合理淬火成位錯馬氏體+板條相界殘余奧氏體薄膜+板條低溫回火析出的細小分散碳化物，實現(xiàn)強、韌、塑性的最佳組合。

圖8 20CrMnTi鋼星形套的C-N共滲淬火規(guī)范

5)油脂量需要殼底部腔和防塵罩腔總體積的40%～45%。以羥基脂肪酸礦物油或合成油為基礎油的潤滑脂，油脂抗高溫性能按照星形套接觸點局部溫度極限時達到150 ℃的要求，因此滴點應不低于180 ℃, 應選擇抗氧化性能好，蒸發(fā)損失小和滴點高的潤滑脂。在寒冷季節(jié)的區(qū)域使用時，應具有低啟動力矩的潤滑脂，如以羥基脂肪酸礦物油或合成油為基礎油的潤滑脂。星形套在球籠式等速萬向節(jié)中溝道接觸點承受壓力最大，同時有振動、沖擊應力載荷，因此應選擇加有極壓添加劑的潤滑脂。極壓抗磨劑可以采用添加輔料MoS2或有機鉬、鈣鹽類。因星形套載荷較大且振動較大，應選基礎油黏度高，黏附性和減振性好，稠化劑含量高的潤滑脂。采用鋰基稠化劑或復合鈣基稠化劑，工作錐入度應為280～320(0.1 mm)，確保潤滑脂有良好的成膜性能和強度。

4 應用效果

經(jīng)過3年多的反復臺架試驗并將產(chǎn)品安裝到出租車上路試驗證，確定上述改進措施達到改善星形套溝道點蝕和剝落的效果。并推廣到所有型號產(chǎn)品，均取得了滿意的效果，目前產(chǎn)品壽命完全達到歐美客戶的要求。