萬向節十字軸失效分析及優化設計

金兄珍，馮賢

萬向錢潮股份有限公司 浙江杭州 311215

萬向節是實現變角度動力傳遞的機件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，是汽車驅動系統的萬向傳動裝置的關鍵部件。

數字化有限元分析工具，方便產品設計工程師實現精準化、數字化優化設計，加快了產品開發進程，大大縮短了產品開發周期及樣品投料進行實體試驗成本。本文通過該產品十字軸失效分析及CAE有限元設計優化，達到設計優化改進的目的。

十字軸失效分析

客戶反饋某萬向節壽命達不到主機廠新車型的要求，該萬向節十字軸借用老產品。該老產品十字軸是20世紀90年代設計的，供通用公司配套，一直沿用至今。客戶主要考慮新車型的節型限制，選擇該款萬向節十字軸。客戶在原試驗基礎上增加了總成反向扭轉疲勞試驗，加載扭矩增加了5%，雖然零件支持力滿足要求，但是，萬向節十字軸發生軸頸部位斷裂提前失效。

1.顯微組織分析

技術質量專家檢查了失效樣件中的十字軸零件，對其進行顯微組織分析。

對失效件進行金相制樣，硝酸酒精溶液進行腐蝕，使用金相顯微鏡進行放大至500X檢查。經檢查發現，十字軸軸頸表面組織為回火針狀馬氏體5級，殘余奧氏體5%和少量碳化物1級；軸頸根部斷裂處金相組織為回火針狀馬氏體5級（見圖1），殘余奧氏體5%和少量碳化物1級；心部組織為低碳馬氏體（見圖2）。

圖1 表面組織

圖2 心部組織

將軸頸部分安裝固定好后，進行拋光，根據橫切面的顯微硬度，得出滲碳淬硬層深度為1.422mm，表面硬度59.5HRC，心部硬度為44.5HRC，沒有發現缺陷或不正常的特征，金相組織和材質均符合工程圖樣技術要求。

2.分析討論

失效件萬向節十字軸金相檢測心部硬度達到正常檢測的數據偏上差，可能是十字軸使用了含C量更高的碳鋼導致的結果。因為十字軸從表面到心部間硬度的不同且呈逐漸下降趨勢，較高的心部硬度也會影響有效滲碳層深度，并會使其有效滲碳層深度偏高。較高的心部硬度也會降低由滲碳過程產生的表面殘余壓應力，加之反向扭轉疲勞試驗加載扭矩的增加，這有可能會加快促使早期失效[1]。

3.改進措施

因十字軸心部硬度與滲碳層為技術要求規定允許范圍的上限值，故對滲碳淬火熱處理要求進行內控管理，以預防高心部硬度及較厚滲碳層的出現。過程內控調整后準備進行試樣。除此之外，對該產品結構的應力分布情況進行分析研究，尋找改進的機會。

有限元分析與優化

1.原十字軸應力分布及優化調整

對該十字軸進行理論上分析，結合多年的經驗，該十字軸設計基本已達到較好狀態，但由于裝叉的空間限制，故無法加大十字軸實體，以增強萬向節的強度。利用三維軟件對該產品十字軸進行了CAE有限元分析，得到十字軸應力分布，如圖3所示。

圖3 原十字軸的應力分布

從圖3可以看到，該產品應力分布均勻，設計結構合理，可以使材料利用率更高。應力最大值在十字軸臺肩R處，其次是在毛坯開檔R處，而該兩處強度比較低，正是客戶反饋斷裂的部位。

臺肩R處最大應力值為629MPa，剛好小于許用應力值630MPa，處于臨界狀態，該軸所能承受的最大工作載荷隨著加載扭矩的提升，失效的概率也極大地提升。

為提高強度，對應力分布集中部位進行結構優化，對軸頸臺階和軸頸毛坯兩處進行調整改進。適當加大萬向節十字軸該兩處的圓角R，并考慮軸承油封配合尺寸。

具體調整為：臺階處過渡圓弧R0.5mm優化為R1.5mm，R0.3mm優化為R0.8mm；臺階處長度相應調整；毛坯開檔處圓弧R6mm優化為R10mm。優化模型如圖4所示。

圖4 優化模型

2.優化后十字軸有限元分析

十字軸結構優化設計要分步建模，進行CAE有限元分析[2，3]。

1）十字軸臺肩處R結構尺寸優化后進行三維建模，得到十字軸改進結構三維模型并進行CAE有限元分析，優化后的應力分布，如圖5所示。

圖5 臺肩處R優化后的應力分布

從圖5中可看出，最大應力在十字軸毛坯開檔R處，最大應力值為574MPa，遠小于許用應力值，相對原十字軸模型的最大應力值減小了55MPa。十字軸臺階R優化改進后，相對于原十字軸模型的承載能力提高了9.6%。臺肩處R尺寸調整后，應力集中情況有了明顯改善。

2）對萬向節十字軸臺肩處R改進并對毛坯開檔處R優化設計后，再次進行三維建模后CAE有限元分析，得到應力分布如圖6所示。

圖6 臺肩處R和毛坯開檔R優化后應力分布

從圖6中可看出，應力最大值在十字軸臺肩處，但其應力值減小至514MPa，相對原萬向節十字軸模型的最大應力值減小了115MPa，低于許用應力值630MPa，并有一定的安全系數空間。進一步優化毛坯開檔處R后的十字軸模型，相對于原十字軸模型的承載能力提高了22.4%。由此證明，臺肩處R尺寸和毛坯開檔處R優化后，產品的應力分布更加均勻，應力集中情況有了明顯改善。

3.樣品試制及性能檢測

根據上述分析結果，選擇較好的優化設計方案進行試制樣品，裝配成萬向節成品后，隨機抽了3套萬向節總成送往技術中心汽車零部件國家級實驗室作扭轉疲勞壽命測試。

測試結果表明，3套試件扭轉疲勞壽命均達到26萬次循環，試驗后萬向節十字軸未損壞，試驗節叉損壞，超出行業標準JB/T8925-2019《滾動軸承 汽車萬向節十字軸總成技術條件》扭轉疲勞壽命20萬次循環的要求，并且達到客戶24萬次循環的要求，表明改進后的萬向節完全達到了客戶的要求。

結語

通過對該萬向節十字軸運用三維設計和CAE有限元分析技術進行產品優化設計、驗證，使萬向節十字軸承載能力提高了22.4%，通過了扭轉疲勞壽命測試并達到了客戶要求。

通過三維設計與CAE有限元分析優化，大大縮短了設計開發周期，節約了重復試驗的周期與成本，且該改進后十字軸材料質量未增加，臺階R及相關過渡R及長度的優化設計，通過數控程序控制加工，加工成本無上升。