汽車等速移動節三銷架斷裂分析

金兄珍，馮賢，牛杰，高天芬，王曉華，吳成衛

萬向錢潮股份有限公司 浙江杭州 311215

1 序言

等速驅動軸是汽車傳動系統中的重要組成部分，三球銷萬向節是汽車傳動系統等速驅動軸總成的一個關鍵部件，常用于汽車等速驅動軸的移動端，連接萬向節的主動軸、從動軸以等角速度運轉，用來傳遞發動機曲軸端輸出的力矩，以實現汽車行駛。因此，對三球銷萬向節高性能的要求尤為重要。

2 失效情況

某車型等速驅動軸總成在臺架試驗中，發生早期失效，檢查發現等速移動節三銷架裂開，扭轉疲勞壽命不足，其材料牌號為16MnCr5H，加工工藝為：下料→加熱→鍛造成形→機加工→熱處理→精加工。本文通過臺架試驗失效零件進行斷口宏觀形貌及斷裂源觀察分析，并結合金相、有限元分析等方法，揭示該類零件的斷裂原因，為產品的安全、延壽提供技術支持。斷裂三銷架臺架試驗見表1。

表1 斷裂三銷架臺架試驗

3 原因分析與排查

3.1 失效件觀察

斷裂三銷架宏觀形貌如圖1所示，目視可見三銷架鼓形花鍵部位發生斷裂，存在不同程度的擠壓變形和磨損痕跡。

圖1 斷裂三銷架宏觀形貌

將斷口置于電鏡下進行觀察，兩處斷口形貌如圖2所示。由圖2可看出，斷口1較為平整，斷口2起伏較大，從斷口擴展方向紋路判斷（見圖3），裂紋是由內側花鍵向外擴展，裂紋源處為沿晶及韌窩形貌（見圖4），存在沿晶裂紋，裂紋擴展區為韌窩及解理形貌（見圖5）。從斷口宏觀和微觀形貌判斷，三銷架的斷裂模式應為疲勞斷裂。

圖2 斷口形貌

圖3 斷口處低倍形貌

圖4 裂紋源處形貌

圖5 裂紋擴展區解理形貌

3.2 金相與材質檢查

（1）金相組織 將斷裂件三銷架制備成金相試樣進行觀察（見圖6），可見表面組織為馬氏體+殘留奧氏體和碳化物，心部組織為低碳馬氏體，花鍵部位存在低碳勢滲碳層，金相檢測數據見表2。參照金相組織評級標準進行評級，滿足設計要求，但花鍵部位存在低碳勢滲碳層，不滿足設計要求。在三銷架疲勞源區未見明顯材料缺陷。

圖6 斷裂三銷架金相組織

（2）硬度檢測 對金相試樣進行顯微硬度測試（見表2）[1]，表面硬度為59.5HRC、59.8HRC，心部硬度為393HV、373HV，表面滲碳淬硬層深度為0.87mm、0.80mm，花鍵硬度640HV、404HV，扭轉疲壽命試驗1#件花鍵硬度明顯偏高，扭轉疲壽命試驗2#件花鍵硬度符合圖樣設計要求。兩件的硬度差異表明，花鍵硬度超高的三銷架零件在熱處理時花鍵部位滲碳氣氛浸入進去了，使得花鍵表面產生滲碳淬硬層，導致花鍵表面硬度超高。基于該產品花鍵硬度超高，會使得三銷架零件花鍵韌性下降，導致產品扭轉疲勞壽命下降，結合斷裂源部位在花鍵部位，分析認為這是三銷架斷裂的主要原因。

表2 試驗件金相檢測數據

（3）成分分析 采用火花只讀原子發射光譜儀對金相試樣進行檢測，材料主要化學成分符合16MnCr5H鋼標準技術要求。16MnCr5H鋼是德國材料牌號，與中國16C r M n H鋼接近（參照G B/T 5216—2014）[2]，有較好的淬透性和可加工性，對較大截面零件，熱處理后能得到較高表面硬度和耐磨性，低溫沖擊韌度也較高。16MnCr5H齒輪鋼經滲碳淬火后使用，主要用于制造齒輪、蝸桿、密封軸套等零部件。

3.3 過程排查

原材料采用帶鋸式下料，制成一顆顆坯料，自動上料經中頻感應加熱，過程中加熱溫度自動控制，鋼質模鍛鍛造成形，后進行機加工至工藝圖樣要求，零件進行串棒裝筐后在多用爐進行滲碳淬火、回火。因樣品生產緊急，工裝為臨時代用，加工過程中設備運轉、工藝執行均正常，在數控磨床上完成精磨外圓加工至成品。通過對這些過程逐一排查發現：滲碳淬火、回火的工裝為臨時代用工裝，部分工裝不符合工藝要求，導致花鍵部位產生低碳勢的滲碳層。熱處理金相檢測屬于破壞性測試，執行抽檢方式，當時抽檢金相檢測數據符合工藝要求，未抽到不符合的情況。花鍵拉刀的大徑為極上限，導致三銷架拉花鍵后產品尺寸為極上限（見表3）。

表3 花鍵與齒根檢測結果

3.4 對產品進行數字化模擬有限元分析

對三銷架建模進行數字化模擬有限元分析，軸頸根部強度應力分布云圖如圖7所示。因三銷架產品結構因素影響，等效應力最大處在軸頸根部R部位，此處應為三銷架產品最薄弱部位。

圖7 軸頸根部強度應力分布云圖

對三銷架的花鍵模型對比分析，如圖8所示[3]。從應力分布云圖上可看出，三銷架內花鍵應力分布不均勻，在偏離軸頭中心3～4顆花鍵齒處應力最大，三個軸頭相對最薄弱齒處強度相當。

圖8 三銷架的花鍵模型對比分析

通過多組花鍵大徑尺寸和齒根圓角的理論計算，計算數據見表4、圖9。根據計算的數據情況，建議花鍵大徑尺寸按φ32.2～φ32.4mm控制，齒根圓角理論分析R0.26～R0.36mm較為理想，考慮實際制造精度需要，建議按R0.25～R0.5mm控制。

表4 組花鍵大徑尺寸和齒根圓角的理論計算數據

圖9 不同狀態下齒根最大應力分布

4 分析與討論

1）宏觀和微觀觀察結果表明，等速移動端三銷架疲勞源區位于花鍵部位，花鍵斷裂部位存在不同程度的擠壓變形和磨損痕跡。三銷架花鍵之所以會萌生疲勞裂紋，與其經受加載正負交變扭矩有關。在正負交變扭矩作用下，三銷架花鍵與軸桿花鍵的配合情況逐漸惡化，二者不斷發生相互擠壓、磨損，導致花鍵發生一定程度的變形，加之花鍵齒根圓弧較小，花鍵大徑極上限的因素影響，促進了花鍵薄弱處齒根R部位疲勞裂紋的萌生。為了防止三銷架花鍵齒根薄弱處情況惡化，一方面，需要三銷架嚴格控制三銷架花鍵處硬度，降低三銷架花鍵部位的脆性，提高三銷架花鍵部位的韌性；另一方面，花鍵齒根應控制適當的R尺寸，以提高花鍵承載能力。

2）顯微硬度測試結果表明，三銷架花鍵硬度為640HV，明顯高于設計要求，這會導致三銷架花鍵處承載能力和抗疲勞性能不足。三銷架花鍵硬度偏低可能與兩方面原因有關：一方面是三銷架熱處理工藝不當，導致三銷架材料硬度超高；另一方面是三銷架在熱處理時，存在部分裝筐不合理，導致滲碳氣氛滲入三銷架花鍵部位，導致花鍵硬度超高。

上述兩個原因究竟哪一種起主要作用，目前通過對同批次產品檢查金相符合要求，可排除該方面的因素。另外，該三銷架為新品樣品加急，熱處理工裝為臨時代用，存在個別工裝不合理的情形，導致熱處理后部分產品花鍵硬度超高，使得該批次樣品作報廢處理。為了防止此問題的發生，決定制作新工裝，重新制作樣品。

3）火花只讀原子發射光譜儀對材料檢測結果表明，三銷架主合金元素及含量與16MnCr5H鋼成分相符。金相分析結果表明，基體表面組織為馬氏體+殘留奧氏體和碳化物，心部組織為低碳馬氏體+鐵素體，組織分析可見材料無異常。

4）產品進行數字化模擬有限元分析表明，三銷架軸頸等效應力分析為最大處在軸頸根部R部位，此處應為三銷架產品最薄弱部位；對三銷架的花鍵模型對比分析可見，在偏離軸頭中心3～4顆花鍵齒處應力最大，三個軸頭相對最薄弱齒處強度相當。為提升三銷架花鍵強度，建議嚴格控制花鍵齒根R和大徑尺寸。

綜合上述分析，建議嚴格控制三銷架熱處理工裝與質量、花鍵齒根圓弧和大徑，保證三銷架強度滿足要求，從而避免三銷架早期失效，延長其使用壽命，保證汽車的行駛安全。

5 結論與建議

1）汽車等速移動節三銷架的斷裂模式為疲勞斷裂。

2）早期失效斷裂原因與熱處理工裝、花鍵大徑、齒根R等不合理、不足有關。

3）嚴格控制熱處理工裝、花鍵大徑和齒根圓弧。