三叉萬向節(jié)三等分對壽命的影響分析

羅廷銀　黃東勛

摘 要

三叉萬向節(jié)的使用工況很復(fù)雜，承受的瞬間載荷較大，承載負(fù)荷對產(chǎn)品的使用非常重要，萬向節(jié)的三等分和滾針軸承內(nèi)部配合間隙決定產(chǎn)品的承載能力，針對多年主機(jī)市場收集的信息進(jìn)行分析研究，萬向節(jié)的三等分和滾針軸承內(nèi)部配合間隙至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞

萬向節(jié);三等分;三叉;滾針

中圖分類號： TH71 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.052

0 前言

本研究的三叉萬向節(jié)應(yīng)用于轎車領(lǐng)域的傳動(dòng)軸上，功能是將轎車的差速器端與車輪之間不在一條直線中心上連接起來傳遞轉(zhuǎn)矩，傳遞轉(zhuǎn)矩大且轉(zhuǎn)速高，是傳動(dòng)裝置中的核心部件。三叉萬向節(jié)是很靈活的關(guān)節(jié)，不能出現(xiàn)卡滯，疲勞脫節(jié)，關(guān)節(jié)的受力比較復(fù)雜，尤其是在異常沖擊情況下承受的瞬間載荷大，所以三叉萬向節(jié)軸承的內(nèi)部配合間隙和內(nèi)部位置度公差精度要求尤為重要。

1 研究背景

根據(jù)近些年里收集了主機(jī)市場反饋的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)售后件里50%以上比例的失效產(chǎn)品都是三叉萬向節(jié)的滾針早期磨損后斷裂失效，失效后產(chǎn)生異響，此問題的產(chǎn)生是非常受關(guān)注的，因此需要攻克的問題的核心。

2 根據(jù)三叉萬向節(jié)使用工況進(jìn)行原理分析

三叉萬向節(jié)的分力F的杠桿臂L是變化的，通過中點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，三叉萬向節(jié)均發(fā)生相對滑動(dòng)：（圖1）在x1方向移動(dòng)了a;在y1方向移動(dòng)了b，a和b在x ?y ?z ?坐標(biāo)系中為正（+），在x1y1z1坐標(biāo)系中為負(fù)（-）;當(dāng)傳動(dòng)軸擺角β為0°時(shí)，三叉萬向節(jié)三個(gè)軸之間120°上軸臂的力是平衡的，等價(jià)壓力P的三個(gè)分力位于同一平面內(nèi)，把切向力分配到三個(gè)軸上，而且常常相等，這是一種依照式的均衡傳遞。由于負(fù)荷均衡傳動(dòng)，三叉萬向節(jié)的外圈順著傳動(dòng)軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈要產(chǎn)生相應(yīng)的微動(dòng)。然而，盡管由此擺動(dòng)，在三叉萬向節(jié)上滾針軸承的負(fù)荷保持相等。

關(guān)系為：∑Px=0=> ?F1cosφ2+F2sin（φ2+120°）+F3sin（φ2+240°）=0

并對0點(diǎn)求矩 ∑M=0，F(xiàn)1L1+F2L2+F3L3-M=0

由于轉(zhuǎn)矩M產(chǎn)生的壓力P使其滾針與軸承產(chǎn)生線接觸，壓力載荷點(diǎn)1和壓力載荷點(diǎn)2被分配給整個(gè)滾針軸承，在壓力載荷點(diǎn)3處的等價(jià)壓力P作用在較窄的接觸面上，因而Q3=Q2=P1，根據(jù)Hertzian汽車起步時(shí)的壓力 P1>P3。

3 根據(jù)失效模式表現(xiàn)及其技術(shù)要求分析

1）產(chǎn)品技術(shù)要求及其控制要點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新工藝滾針軸承設(shè)計(jì)的間隙不易過大，滾針會(huì)發(fā)生歪斜載荷應(yīng)力集中，一般圓周總間隙為0.15～0.35mm為宜，已經(jīng)過驗(yàn)證其間隙的合理性。三叉萬向節(jié)叉體采用的是20CrMnTi材料，毛坯經(jīng)冷擠成型后再進(jìn)行釋放殘余應(yīng)力處理，精加工后表層滲碳熱處理，淬火硬化層深度Eht=0.8mm+0.2mm，后續(xù)對三叉萬向節(jié)叉體軸徑磨削精加工，磨削面不允許燒傷及組織退化的缺陷。

2）由于軸承滑動(dòng)接觸面受不均勻的力后局部更易于產(chǎn)生摩擦，因此必須考慮三叉萬向節(jié)三等分位置度及其形狀具有高度精確性，使其三叉萬向節(jié)三等分受相對均衡的力達(dá)到均衡傳遞的目的。

根據(jù)以上技術(shù)要求分析及結(jié)合實(shí)際出現(xiàn)的失效件來作對比驗(yàn)證分析：失效件的表面特征在于滾針一頭磨損后導(dǎo)致受力不均勻不能均衡傳遞，局部應(yīng)力急劇增加導(dǎo)致應(yīng)力集中后過載斷裂失效，并經(jīng)檢測三等分累積誤差為120°25′，內(nèi)切圓фd>0.35，內(nèi)孔中心圓心距L>0.2。（圖2 фd與L）再結(jié)合實(shí)際加工工藝分析，三叉萬向節(jié)的三等分處于偏心狀態(tài)，經(jīng)排查加工機(jī)床位置精度不穩(wěn)定，導(dǎo)致加工的三叉萬向節(jié)軸徑根部經(jīng)使用受力不均勻，與滾針出現(xiàn)頭部先接觸受力磨損。實(shí)際加工時(shí)的技術(shù)文件要求和主要檢測控制手段都是監(jiān)控三等分分度尺寸指標(biāo)，忽視了內(nèi)切圓和內(nèi)孔中心圓心距的管控與檢測。通過失效案例的失效模式及其表現(xiàn)的綜合分析，來改善了三叉萬向節(jié)三等分的工藝及其管控手段，并設(shè)計(jì)規(guī)定累積誤差最大7′，內(nèi)切圓фd<ф0.15，內(nèi)孔中心圓心距L<фd/2，這兩個(gè)指標(biāo)作為重點(diǎn)控制項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)定期對機(jī)床位置度精度和夾具精度納入保養(yǎng)計(jì)劃中的重點(diǎn)管控項(xiàng)目，并增加監(jiān)控頻次。

以上（圖3測量方法）考慮到三叉萬向節(jié)的過程加工和檢測誤差，只能作為過程檢查控制，也可以采取其他方法來保證三等分要求，但最終確定三等分、內(nèi)切圓、內(nèi)孔中心孔偏心距數(shù)據(jù)以投影法和三坐標(biāo)檢測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本研究提出的創(chuàng)新工藝與控制方法得到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并經(jīng)市場的考驗(yàn)，從售后三包反饋類似失效件幾乎很少，失效件統(tǒng)計(jì)顯示類似失效件比例降低80%。經(jīng)過以上分析與優(yōu)化，使我們在加工這類產(chǎn)品時(shí)，不能只考慮三等分，必須經(jīng)過失效案例收集統(tǒng)計(jì)分析和理論設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)算來驗(yàn)證再現(xiàn)性，此案例經(jīng)研究分析還得考慮工藝產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的工藝尺寸，因?yàn)槿确趾细竦漠a(chǎn)品，其關(guān)聯(lián)的內(nèi)切圓和內(nèi)孔中心圓心距不一定合格，這類產(chǎn)品在復(fù)雜路況受到不正常的外力造成三等分受力就不均勻，接觸應(yīng)力集中導(dǎo)致早期失效。其次產(chǎn)品在加工過程中不但要考慮檢測三等分尺寸的檢測，也同時(shí)把關(guān)內(nèi)切圓和內(nèi)孔中心圓心距，因?yàn)檫@是機(jī)床加工位置度精度穩(wěn)定性管控的問題，只有調(diào)整并監(jiān)控保養(yǎng)好機(jī)床加工精度才能保證工藝的穩(wěn)定有效性，最終保證產(chǎn)品的合格一致性才能贏得市場的認(rèn)可和滿足市場的需求，并占有一席之地。

參考文獻(xiàn)

[1]萬向節(jié)滾針軸承標(biāo)準(zhǔn)介紹. 馬素青，張俊英，馬衛(wèi)東.《軸承》1997. No.4.

[2]萬向節(jié)和傳動(dòng)軸[M]. 伍德榮，肖生發(fā)，陶健民.北京理工大學(xué)出版社1997.