輪式裝載機(jī)驅(qū)動橋半軸結(jié)構(gòu)和材料選擇

摘要：以5t裝載機(jī)驅(qū)動橋太陽輪半軸故障頻發(fā)為背景，從半軸的結(jié)構(gòu)、材料及其熱處理展開，將相關(guān)試驗(yàn)的過程、數(shù)據(jù)及分析進(jìn)行分享。分體式半軸由于其材料和熱處理工藝的制定不受制于太陽輪，故靈活性、設(shè)計(jì)強(qiáng)度可優(yōu)于整體式。對于裝載機(jī)等大型工程機(jī)械的驅(qū)動橋半軸，由于其使用工況惡劣，承受載荷大，設(shè)計(jì)直徑大，適宜采用有效硬化層較深的熱處理方式。

關(guān)鍵詞：5t裝載機(jī)；齒輪軸；分體式半軸；硬度梯度曲線；抗扭試驗(yàn)

0 引言

輪式裝載機(jī)驅(qū)動橋的半軸是一根帶有花鍵的實(shí)心軸，其主要功能是將驅(qū)動橋主減速器傳來的動力傳遞給兩側(cè)的輪邊減速器，如圖1所示，半軸兩端連接有齒輪，中間無支承，為懸浮式半軸，在正常工作狀態(tài)下，半軸僅受到純扭矩作用，而不受任何彎矩作用，半軸斷裂會直接導(dǎo)致驅(qū)動橋無法工作，從而導(dǎo)致整機(jī)無法工作，半軸故障率高會直接影響驅(qū)動橋可靠性，進(jìn)而影響整機(jī)可靠性，降低客戶滿意度，故半軸的質(zhì)量至關(guān)重要。

在過去幾年，本公司5t某系列裝載機(jī)的驅(qū)動橋半軸，其故障率在所有驅(qū)動橋故障中常年位居第一位，2000h內(nèi)的故障率高達(dá)約4.5%，失效形式主要為花鍵處扭斷，見圖2所示，為此，公司成立了質(zhì)量攻關(guān)項(xiàng)目組對此問題進(jìn)行了專項(xiàng)分析和整改，本文以此為背景，從半軸的結(jié)構(gòu)、材料及其熱處理展開，將相關(guān)試驗(yàn)的過程、數(shù)據(jù)及分析進(jìn)行分享。

1 半軸與太陽輪結(jié)構(gòu)

半軸與輪邊減速器中的太陽輪，通常為分體式結(jié)構(gòu)，二者通過花鍵連接。根據(jù)軸類和齒輪類零件各自的特點(diǎn)，分別對半軸和太陽輪選擇合適的材料，并制定相應(yīng)的加工和熱處理工藝。

對于直徑很小的鋼制齒輪，當(dāng)為圓柱齒輪時，若齒根圓到鍵槽底部的距離e＜2mt（mt為端面模數(shù)），齒輪的強(qiáng)度差，應(yīng)將齒輪和軸做成一體，叫做齒輪軸。即齒輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求太陽輪的最小壁厚需大于太陽輪模數(shù)的兩倍，但出于高減速比的特殊需求，以及輪邊空間限制的綜合考量，會出現(xiàn)無法滿足齒輪設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的情況，此時需將太陽輪和半軸設(shè)計(jì)成整體式結(jié)構(gòu)。

本公司5t某系列產(chǎn)品的驅(qū)動橋半軸和太陽輪即符合上述情況，故將半軸和太陽輪設(shè)計(jì)為整體式齒輪軸，以下簡稱為太陽輪半軸。出于齒輪材料選擇對其強(qiáng)度影響、半軸材料選擇對其強(qiáng)度影響的綜合考慮，最終選定太陽輪半軸的材料為20CrMnTi，熱處理方式為：箱式爐正火，多用爐滲碳淬火，DC0.9～1.2，齒面58～64HRC，心部30～45HRC，經(jīng)理論計(jì)算，上述太陽輪半軸理論設(shè)計(jì)強(qiáng)度可滿足實(shí)際需求。

本公司質(zhì)量攻關(guān)項(xiàng)目組針對太陽輪半軸故障頻發(fā)事件，運(yùn)用FTA等分析手段進(jìn)行分析，通過試驗(yàn)等手段進(jìn)行論證，認(rèn)為主要的影響因素為太陽輪半軸材料和熱處理工藝造成的強(qiáng)度富余不足，無法應(yīng)對日益惡劣的工況。

2 半軸材料及熱處理

根據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目組選取了下述幾種代表性材料（包括20CrMnTi），并制訂了對應(yīng)的熱處理工藝，完成了5YcNCSE1chdl+CT1LMMNHrA==t裝載機(jī)驅(qū)動橋半軸樣品的試制，半軸直徑為54mm。

本公司太陽輪半軸材料20CrMnTi，是性能良好的滲碳鋼，其淬透性較高，經(jīng)滲碳淬火后具有硬而耐磨的表面與堅(jiān)韌的心部，具有較高的低溫沖擊韌性，多用其制造活塞類、傳動齒輪、齒輪軸等。對應(yīng)熱處理工藝：基體正火，滲碳淬火DC0.9～1.2，齒面58～64HRC，心部30～45HRC。

30CrMnTi比20CrMnTi鋼的強(qiáng)度、淬透性高，但沖擊韌性略低。彎曲強(qiáng)度較高、耐磨性能好。用于制造拖拉機(jī)行業(yè)中截面較大的重負(fù)荷滲碳件及受力較大的齒輪、齒輪軸、蝸桿等。對應(yīng)熱處理工藝：感應(yīng)淬火區(qū)中頻淬火，表面硬度47～52HRC，DS9～12mm，界限硬度值40HRC。

42CrMo鋼具有強(qiáng)度高、淬透性好、韌性好、淬火時變形小，在高溫時有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度等特點(diǎn)，適用于機(jī)車牽引用的大齒輪、后軸、彈簧、發(fā)動機(jī)氣缸、受載荷極大的連桿等零件。對應(yīng)熱處理工藝：多用爐整體淬火，表面硬度50～55HRC。

對上述熱處理后的半軸進(jìn)行針對性取樣，進(jìn)行對比檢測和試驗(yàn)，為表達(dá)更精簡、清晰，以下3組試驗(yàn)所匯總的圖表中的數(shù)值均為若干樣本實(shí)測數(shù)據(jù)剔除極值后的平均值。

2.1 硬度測試

樣本數(shù)量各10件。沿半軸橫截面截取10mm厚度樣品，由表面至中心（沿半徑方向）逐點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，制成折線圖，得到的硬度梯度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，20CrMnTi滲碳半軸有效硬化層淺，表面硬度高。硬度梯度曲線下降趨勢過陡，尤其在距軸表面0～2mm區(qū)間內(nèi)，硬度下降很快，而30CrMnTi中頻半軸和42CrMo直淬半軸在距軸表面10mm以內(nèi)，硬度變化比較平緩。

2.2 強(qiáng)度測試

樣本數(shù)量：各10件。

對半軸1/2半徑處進(jìn)行取樣，規(guī)格Φ18×120，取樣位置如圖4所示，樣品強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

屈服強(qiáng)度是金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限，亦即抵抗微量塑性變形的應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力。從表1不難發(fā)現(xiàn)，42CrMo多用爐淬火的半軸、30CrMnTi中頻淬火的半軸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯高于20CrMnTi滲碳淬火的半軸。

2.3 抗扭試驗(yàn)

樣本數(shù)量：各5件。

委外對整根半軸進(jìn)行破壞性扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，斷裂位置均位于花鍵根部，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

檢測單位：機(jī)械工業(yè)車輛與零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。

試驗(yàn)依據(jù)：QC/T293—1999《汽車半軸臺架試驗(yàn)方法》

該試驗(yàn)最接近于半軸的實(shí)際使用工況，故試驗(yàn)數(shù)據(jù)對于分析半軸強(qiáng)度最具參考價值，從扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果來看，20CrMnTi滲碳淬火的破壞扭矩明顯低于其他材料及對應(yīng)的熱處理方式。

試驗(yàn)總結(jié)：通過3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，20CrMnTi滲碳半軸表面硬度高，但有效硬化層淺，在模擬扭矩大、載荷重的工況的抗扭試驗(yàn)中，表現(xiàn)出的抗扭能力偏弱。相對而言，30CrMnTi中頻半軸和42CrMo直淬半軸有效硬化層深，表現(xiàn)出的抗扭能力較強(qiáng)，綜合試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用來看，對于5t裝載機(jī)驅(qū)動橋半軸（直徑為φ54），20CrMnTi滲碳半軸強(qiáng)度明顯低于30CrMnTi中頻淬火半軸和42CrMo多用爐整體淬火半軸。

3 半軸直徑對熱處理工藝的影響

為了探究相同材料和熱處理工藝情況下，半軸直徑對抗扭能力的影響程度，項(xiàng)目組針對本公司生產(chǎn)的兩種不同直徑的半軸進(jìn)一步進(jìn)行了抗扭試驗(yàn)：

樣本數(shù)量各5件。委外對整根半軸進(jìn)行破壞性扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，斷裂位置均位于花鍵根部，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，得出30CrMnTi中頻半軸、42CrMo直淬半軸的破壞扭矩較20C9f2c07be9dea33617c021aabe77b9933bff938e03adecd355e98a0b984881489rMnTi滲碳半軸提高的百分比，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，就30CrMnTi中頻淬火、42CrMo多用爐整體淬火、20CrMnTi滲碳淬火這3種材料半軸而言，不同材料和相應(yīng)熱處理工藝對半軸抗扭能力的影響，隨著半軸直徑的減小而弱化。

4 分體式半軸的設(shè)計(jì)、試制及量產(chǎn)

根據(jù)分析結(jié)果，項(xiàng)目組對本公司部分5t裝載機(jī)產(chǎn)品的驅(qū)動橋半軸，進(jìn)行了分體式半軸及整個驅(qū)動橋輪邊減速器的設(shè)計(jì)，輪邊減速比做相應(yīng)調(diào)整，綜合考慮成本、強(qiáng)度等因素，最終選定半軸材料為30CrMnTi，熱處理工藝為感應(yīng)淬火區(qū)中頻淬火，表面硬度47～52HRC，DS9～12mm，界限硬度值40HRC。該系列產(chǎn)品目前已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段，且無故障反饋。

5 對太陽輪半軸的相關(guān)優(yōu)化

由于高速比產(chǎn)品需求等客觀因素，本公司5t裝載機(jī)產(chǎn)品的驅(qū)動橋半軸無法全部切換為分體式結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有太陽輪半軸進(jìn)行質(zhì)量控制和優(yōu)化也是必須的。

對太陽輪半軸質(zhì)量的控制和提升：包括熱處理控制和半軸直線度的控制，具體措施和效果見表5。

太陽輪半軸直線度要求：兩端漸開線花鍵的定位表面對半軸軸心線的徑向跳動≤0.1mm，外圓全長表面對軸心線的跳動≤0.3mm，對熱處理后的半軸使用圖5所示的校直機(jī)進(jìn)行校直，時效后二次校直。

對驅(qū)動橋其他相關(guān)件的控制：提高橋殼、托架的加工精度，保證太陽輪半軸在使用過程中的傳動平穩(wěn)性。

6 結(jié)束語

半軸和太陽輪的結(jié)構(gòu)對其材料的選擇和相關(guān)熱處理工藝的制定起著決定性作用，進(jìn)而影響半軸的強(qiáng)度，分體式半軸由于其材料和熱處理工藝的制定不受制于太陽輪，故靈活性高，設(shè)計(jì)強(qiáng)度可優(yōu)于整體式。

對于裝載機(jī)等大型工程機(jī)械的驅(qū)動橋半軸，由于其使用工況惡劣，承受載荷大，設(shè)計(jì)直徑大，宜采用有效硬化層較深的熱處理方式，如30CrMnTi中頻淬火、42CrMo多用爐整體淬火等，強(qiáng)度明顯優(yōu)于20CrMnTi滲碳淬火。就30CrMnTi中頻淬火、42CrMo多用爐整體淬火、20CrMnTi滲碳淬火這3種材料半軸而言，不同材料和相應(yīng)熱處理工藝對半軸強(qiáng)度的影響，隨著半軸直徑的變小而弱化，類似的材料也可做參考。

整體式齒輪軸，如太陽輪半軸的熱處理過程控制、尺寸精度控制對成品的質(zhì)量影響重大，直接關(guān)系到半軸的使用壽命，需加強(qiáng)監(jiān)控和把關(guān)，并進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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