EPS助力齒輪軸的失效分析與試驗(yàn)

向永超 滕海文 楊儒亞 侯富彬 閆世偉

摘? 要：通過前期的有限元分析，驗(yàn)證了EPS助力齒輪軸的疲勞壽命，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)和線體檢測(cè)，對(duì)助力齒輪軸失效問題進(jìn)行了深入的分析。結(jié)果表明：淬火冷卻介質(zhì)和滲碳深度對(duì)齒輪軸表面的硬度都有影響，淬火冷卻介質(zhì)對(duì)硬度的影響更大，熱處理工藝的變化是引起齒輪軸斷裂的根本原因。

關(guān)鍵字：有限元；齒輪軸；淬火；滲碳

中圖分類號(hào)：U270.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2024）03-0025-06

The Failure Analysis and Testing of the EPS Assistance Pinion

Abstract： The fatigue life of EPS assistance pinion is verified through the previous finite element analysis. The failure problem of assistance pinion is deeply analyzed combined with bench testing and production line testing. The results show that the quenching cooling medium and the depth of carburizing have influence on the hardness of the assistance pinion surface， the quenching cooling medium has more influence on the hardness， so the change of heat treatment process is the fundamental cause of the fracture of the assistance pinion.

Key Words： Finite Element; Pinion; Quenching; Carburizing

1? ? 前言

目前轉(zhuǎn)向器是汽車上必不可少的一部分，轉(zhuǎn)向器是使車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而改變車輛行駛方向的唯一手段。隨著人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向性能要求的提高，日本人首先提出了四輪轉(zhuǎn)向的概念， 并于上世紀(jì)九十年代初期進(jìn)入實(shí)用化[1-2]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同，轉(zhuǎn)向器可以分成機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、液壓式轉(zhuǎn)向器、電液式轉(zhuǎn)向器和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器（EPS）等，EPS一般是由電機(jī)、控制單元、傳感器和機(jī)械部件等部分組成。由于EPS自身有很多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域，商用車一般使用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，多采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[3]。馮俊萍、任夏楠、鄧兆祥、張永輝等對(duì)EPS的助力特性也進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，也說(shuō)明了EPS在乘用車方面的優(yōu)勢(shì)，好的助力特性能很好地平衡轉(zhuǎn)向靈活性和路感之間的矛盾[4-7]。雖然EPS發(fā)展很快，但也遇到一些問題，乘用車轉(zhuǎn)向器的主要故障是無(wú)助力和一邊輕一邊重的問題，同時(shí)還有很多其他的問題，比如噪音問題等等[8-9]。

本文以某電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器助力齒輪軸為研究對(duì)象，驗(yàn)證CAE仿真技術(shù)在其設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，通過與臺(tái)架試驗(yàn)和線體檢測(cè)相結(jié)合，分析了轉(zhuǎn)向器助力齒輪軸破壞的根本原因。

2? ? 助力齒輪軸的疲勞分析

汽車對(duì)安全性有較高的要求，一般采用有限壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。有限壽命設(shè)計(jì)可以根據(jù)S-N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為名義應(yīng)力法；也可以依據(jù)ε-N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為局部應(yīng)力應(yīng)變法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力歷程，借助局部應(yīng)力應(yīng)變法分析缺口處的局部應(yīng)力，再結(jié)合S-N曲線、ε-N曲線和線性累計(jì)損傷理論等估計(jì)結(jié)構(gòu)的壽命；斷裂力學(xué)法是假設(shè)結(jié)構(gòu)本身存在裂紋缺陷，以變形體力學(xué)為基礎(chǔ)，研究含裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)等問題，主要解決工程中低應(yīng)力脆斷的問題，現(xiàn)在已成為失效分析的重要方法之一。

根據(jù)設(shè)計(jì)部門的相關(guān)要求，建立雙齒輪電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器的有限元模型，再根據(jù)Goodman計(jì)算公式，對(duì)助力齒輪軸的壽命進(jìn)行估計(jì)計(jì)算。原始模型和CAE分析模型如下：

Goodman計(jì)算公式如下所示：

在（1）式中σa表示某點(diǎn)的應(yīng)力幅值，σm表示某點(diǎn)的應(yīng)力均值，σb表示材料的抗拉強(qiáng)度，σa（-1）表示某點(diǎn)的修正應(yīng)力。根據(jù)某點(diǎn)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，計(jì)算得到應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值，然后代入公式得到修正應(yīng)力值，從而得到構(gòu)件某點(diǎn)的疲勞壽命值。根據(jù)這個(gè)方法，計(jì)算得到的助力齒輪軸的最大應(yīng)力605MPa和最小應(yīng)力-720MPa，計(jì)算壽命是110（萬(wàn)次，下稱W次），超過設(shè)計(jì)要求值20W次，符合設(shè)計(jì)要求。CAE分析云圖如下：

3? ? 轉(zhuǎn)向器的臺(tái)架試驗(yàn)

對(duì)初期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析合格后，在工廠進(jìn)行了樣件生產(chǎn)用于臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，在3個(gè)耐久臺(tái)架上對(duì)三個(gè)轉(zhuǎn)向器總成進(jìn)行耐久試驗(yàn)，1#臺(tái)架運(yùn)行到5.135W次發(fā)生異常，拆解發(fā)現(xiàn)助力齒輪軸疲勞斷裂，齒條斷齒，同時(shí)拆開其他2個(gè)總成，都發(fā)生異常，說(shuō)明這是批量問題，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

此項(xiàng)目耐久臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)問題，主要是這次助力齒輪軸的供應(yīng)商發(fā)生了變更，而且助力齒輪軸損壞較嚴(yán)重，就基于助力齒輪軸展開了一系列的驗(yàn)證工作，比如表面裂紋、原材料不良、金相等級(jí)差、表面硬度不足、滲碳層深不夠和硬度梯度非線性變化等原因。

3.1? ?試驗(yàn)前性能測(cè)試

從工廠拿來(lái)新樣件，對(duì)正向空載、逆向力和助力特性等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，從而驗(yàn)證這些參數(shù)都正常，損壞原因不在于此，檢測(cè)結(jié)果如表2所示：

3.2? ?線體實(shí)際測(cè)試

因?yàn)樯a(chǎn)線體上也有相關(guān)設(shè)備，所以也在線體上對(duì)正向空載和助力特性進(jìn)行了測(cè)試，具體的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示：

從以上的測(cè)試結(jié)果可以看出，這一批助力齒輪軸外觀是沒有問題的，可以正常嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，那就要從微觀角度去檢查了。

4? ? 助力齒輪軸的微觀檢測(cè)

經(jīng)過以上的分析和檢測(cè)，沒有找到真正的破壞原因，所以就在試驗(yàn)中心的材料理化部進(jìn)行了相關(guān)的微觀檢測(cè)。

4.1? ?助力齒輪軸的金相檢測(cè)及端口分析

通過微觀金相檢測(cè)，助力齒輪軸表面組織為馬氏體2級(jí)，殘余奧氏體2級(jí)，碳化物等級(jí)2級(jí)；芯部組織為低碳馬氏體和鐵素體，組織等級(jí)是2級(jí)。金相組織等級(jí)要求1-4級(jí)，實(shí)測(cè)是2級(jí)，符合設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)結(jié)果如圖4所示：

金相檢測(cè)后，齒輪軸符合要求，又對(duì)助力齒輪軸的斷口位置進(jìn)行分析驗(yàn)證，齒側(cè)表面呈點(diǎn)蝕形貌，齒根表面也是點(diǎn)蝕形貌，說(shuō)明耐久試驗(yàn)形成了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，結(jié)果如圖5所示：

4.2? ?助力齒輪軸的熱處理結(jié)果檢測(cè)

具體檢測(cè)方法是沿法向切開齒輪軸，將會(huì)得到滲碳深度和各位置硬度的檢測(cè)結(jié)果。滲碳層深從外表面開始檢測(cè)，終點(diǎn)的硬度達(dá)到550HV，深度和硬度的檢測(cè)結(jié)果都在要求范圍內(nèi)，具體的檢測(cè)結(jié)果如表4所示：

4.3? ?助力齒輪軸的元素檢測(cè)

最開始懷疑原材料不良，所以也要檢測(cè)一下助力齒輪軸材料的元素含量，助力齒輪軸采用20CrMo材料，主要元素含量如表5所示：

經(jīng)過元素檢測(cè)后，也可以得到齒輪軸的原材料沒問題，熱處理深度和硬度也滿足要求，接下來(lái)對(duì)熱處理的硬度梯度進(jìn)行測(cè)試。

4.4? ?硬度梯度的檢測(cè)

這一部分會(huì)采用對(duì)比的方法，取一件其他產(chǎn)品的助力齒輪軸與失效件的硬度梯度進(jìn)行對(duì)比。沿法向切開齒輪軸，從齒頂中心沿半徑方向測(cè)量硬度，間距0.2mm，測(cè)量深度2mm，失效件（滲碳深度0.5mm，淬火冷卻油溫度120℃）和對(duì)比件（滲碳深度0.5mm，淬火冷卻油溫度60℃），具體測(cè)試結(jié)果如表6所示：

將硬度梯度轉(zhuǎn)換成折線圖如圖6所示：

從上圖可以看出，失效件的硬度梯度下降太快，對(duì)比件的硬度梯度曲線很平滑，對(duì)比件是滿足耐久要求的?；诖私Y(jié)果，對(duì)新供應(yīng)商提出了熱處理工藝的變化要求，新供應(yīng)商給出了2套優(yōu)化方案，優(yōu)化件1（滲碳深度0.5mm，淬火冷卻油溫度60℃）和優(yōu)化件2（滲碳深度0.7mm，淬火冷卻油溫度60℃），對(duì)優(yōu)化樣件也做相同的測(cè)試。

四種方案的結(jié)果對(duì)比如圖7所示，失效件的助力齒輪軸芯部硬度最小，呈現(xiàn)出線性差的特點(diǎn)，優(yōu)化后的兩個(gè)樣件硬度梯度達(dá)到了對(duì)比件的水平，接下來(lái)對(duì)新供應(yīng)商的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

5? ? 新產(chǎn)品驗(yàn)證

開發(fā)了新的供應(yīng)商，對(duì)新的項(xiàng)目要做好把關(guān)工作，對(duì)三種樣件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，分別檢測(cè)滲碳深度和齒輪軸的硬度，并做靜扭破壞臺(tái)架試驗(yàn)等等，具體的試驗(yàn)結(jié)果如下所示：

從以上的測(cè)試結(jié)果可以得到，優(yōu)化后破壞載荷都增大了，但滲碳時(shí)間加長(zhǎng)后，靜扭破壞載荷提升不大且成本較高，失效件無(wú)法使用，所以優(yōu)化件1是最合適的選擇。后期與供應(yīng)商一起又做了很多相關(guān)的測(cè)試，優(yōu)化件1均可滿足設(shè)計(jì)要求，最后與供應(yīng)商達(dá)成一致，采用優(yōu)化件1的熱處理方式。

6? ? 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合考慮了助力齒輪軸的硬度梯度、滲碳深度、金相檢測(cè)、元素檢測(cè)、臺(tái)架試驗(yàn)和線體檢測(cè)等，通過排除法分析了齒輪軸失效的原因。在設(shè)計(jì)前期根據(jù)圖紙要求，對(duì)模型熱處理層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析疲勞工況，滿足設(shè)計(jì)要求。通過分析得到以下結(jié)論：1）CAE仿真分析在設(shè)計(jì)前期具有很好的指導(dǎo)意義；2）調(diào)整助力齒輪軸芯部硬度后，硬度梯度變化趨勢(shì)改善明顯，助力齒輪軸的破壞載荷提升較大，說(shuō)明助力齒輪軸失效的主要原因是硬度梯度曲線非線性變化；3）齒輪軸增加滲碳層深后，芯部硬度沒有提升，破壞載荷變化不明顯且成本較大。

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