汽車變速器輸出軸斷裂失效分析與優(yōu)化研究

變速器是汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，主要由輸入軸、輸出軸和齒輪系統(tǒng)組成。其中，輸出軸的主要功能是將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳遞給推進(jìn)軸、驅(qū)動(dòng)螺旋槳或其他推進(jìn)裝置。因此，變速器輸出軸是汽車動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的核心部件，研究其斷裂形式并分析原因?qū)ζ囎兯倨鞯慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和可靠性提升具有重要意義。。

董雪嬌[1等采用掃描電鏡和常規(guī)檢驗(yàn)方法分析水泵軸的斷裂原因，指出中間軸斷裂主要是不合理的熱處理降低了軸的耐腐蝕性和韌性，導(dǎo)致沿車削加工刀痕產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，進(jìn)而斷裂。李艷等和ZhaoL 等的研究案例中，軸的設(shè)計(jì)造成局部圓角應(yīng)力集中。

周利東[4]等指出滾筒軸滾筒軸發(fā)生脆性疲勞斷裂、軸斷裂處過渡圓角半徑較小、斷裂處產(chǎn)生應(yīng)力集中失效的情況。史志剛5等的研究中主軸基體材質(zhì)和熔覆質(zhì)量不合格產(chǎn)生裂紋。范景峰等和耿墨杰指出軸發(fā)生斷裂的主要原因是軸頸處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。謝納冰等的案例中應(yīng)力集中和焊接缺陷是造成軸疲勞破壞或斷裂失效的主要原因。徐欽華等和張杰[1等研究結(jié)果顯示失效工件內(nèi)部存在的冶金夾渣和非金屬夾雜物、腐蝕疲勞是產(chǎn)生疲勞裂紋的萌生源。殷志碗[11]等的研究結(jié)果顯示驅(qū)動(dòng)軸外表面石墨分布較少，且二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布是導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸疲勞斷裂的根本原因。王歡銳[12]等和曹蕾蕾[13]等指出鍛造過程中的表面和加工過程中的應(yīng)力集中導(dǎo)致失效。

總之，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對(duì)變速器輸出軸斷裂原因進(jìn)行研究，研究結(jié)果顯示輸出軸的斷裂與材料特性、設(shè)計(jì)加工和裝配方式相關(guān)，很少有文獻(xiàn)指出變速器輸出軸會(huì)因?yàn)槲词艿竭^載保護(hù)裝置的過載保護(hù)而斷裂，本文首次提出過載保護(hù)失效的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

輸出軸的設(shè)計(jì)與加工

1.輸出軸的設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工需要遵循相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范[14＼～16]，對(duì)于承受轉(zhuǎn)矩的軸類結(jié)構(gòu)通常需要滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件。由于輸出軸花鍵處為結(jié)構(gòu)薄弱位置，因此，輸出軸花鍵處的扭剪應(yīng)力需要滿足

式中 扭剪應(yīng)力（ ）； 軸承受的轉(zhuǎn)矩 （kN？m） ； 抗扭截面系數(shù) ）；（20 軸的許用扭剪應(yīng)力，取

此外，花鍵軸經(jīng)常承受周期載荷，因此也需要滿足疲勞安全系數(shù)

式中 ——疲勞安全系數(shù)；

—軸向疲勞安全系數(shù)；

——切向疲勞安全系數(shù)。

以上兩個(gè)參數(shù)計(jì)算公式為

式中 （2 零件對(duì)稱彎曲疲勞循環(huán)極限； （2號(hào) 正應(yīng)力條件下有效應(yīng)力集中系數(shù)； 零件危險(xiǎn)面處的變應(yīng)力； （20 尺寸影響分?jǐn)?shù)； 表面質(zhì)量影響分?jǐn)?shù)； 疲勞等效分?jǐn)?shù)； （20 零件危險(xiǎn)面處的平均應(yīng)力； 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。下標(biāo)為的表示切應(yīng)力條件下系數(shù)。

2.輸出軸的校核

前面介紹了設(shè)計(jì)輸出軸時(shí)用到的相關(guān)準(zhǔn)則，現(xiàn)在將輸出軸的具體參數(shù)予以展示，并與規(guī)范值進(jìn)行比較。案例中輸出軸材料為 20CrMo ，表面硬度為 （61±3） HRC，滲碳層深度為 0.5～0.8mm （550HV1），心部硬度為32～48HRC。技術(shù)參數(shù)見表1。

根據(jù)表1，計(jì)算得到輸出軸承受的扭剪應(yīng)力 ，安全系數(shù) ，以上兩個(gè)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)一步在Masta中模擬輸出軸真實(shí)使用工況，分析得到輸出軸的靜態(tài)安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù)，如圖1所示。

圖1a表明輸出軸靜力安全系數(shù)最小值為1.6574，大于設(shè)定要求值1.4。圖1b顯示輸出軸疲勞安全系數(shù)為最小值1.4798，大于設(shè)定要求值1.2。仿真結(jié)果表明：靜態(tài)安全系數(shù)和疲勞安全系數(shù)都符合設(shè)計(jì)要求。

3.輸出軸的加工

前面的分析顯示，輸出軸承受的轉(zhuǎn)矩和疲勞不足以引起結(jié)構(gòu)失效，這里將對(duì)輸出軸的加工過程進(jìn)行分析。

輸出軸的加工一般包括鍛造制壞、正火、精車加工和熱處理。對(duì)各環(huán)節(jié)的跟蹤結(jié)果顯示每個(gè)環(huán)節(jié)都嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，輸出軸的直線度，表面處理及硬化都符合要求。以扭轉(zhuǎn)角度為橫坐標(biāo)，輸入轉(zhuǎn)矩為縱坐標(biāo)繪制輸出軸靜扭試驗(yàn)曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，曲線在坐標(biāo)（ ， 797.1N.m， 0處出現(xiàn)拐點(diǎn)，這表明當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩達(dá) 797.1N m時(shí)，輸出軸才斷裂失效。由于發(fā)動(dòng)機(jī)能提供的最大轉(zhuǎn)矩為290N·m，因此，設(shè)計(jì)的輸出軸有2.5倍后備系數(shù)。這再次證明案例中輸出軸的斷裂失效與設(shè)計(jì)加工無關(guān)。

失效原因分析

1.失效形式宏觀分析

通過對(duì)多個(gè)失效變速器輸出軸的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)其失效主要集中在輸出軸花鍵收尾處，即與結(jié)合套連接外的部位，如圖3a所示。圖3b展示了斷口宏觀特征形貌，其中，區(qū)域1呈銀灰色，有清晰放射棱線，表面粗糙，呈現(xiàn)脆性快速斷裂特征，表明該區(qū)域?yàn)闉樗矓鄥^(qū)；區(qū)域3為暗灰色，相對(duì)平坦，表面較粗糙，有細(xì)膩的韌性纖維狀斷裂特征，說明該區(qū)域?yàn)榱鸭y擴(kuò)展區(qū)[17，18]；區(qū)域4為疲勞源區(qū)。因輸出軸受到轉(zhuǎn)矩的作用，故出現(xiàn)了多個(gè)疲勞源區(qū)。

2.失效形式微觀分析

宏觀形式確定了輸出軸斷裂的位置及斷口形貌，但還不足以確定斷裂的具體原因。由于電鏡掃描可以對(duì)組織進(jìn)行形貌和斷口分析，確定材料元素種類和含量，展示晶體結(jié)構(gòu)，接下來將對(duì)輸出軸斷口進(jìn)行電鏡掃描，從微觀形式進(jìn)一步解釋斷裂原因。

將失效變速器輸出軸的斷口置入掃描電鏡里進(jìn)行觀察，得到圖4。圖4表明輸出軸失效是從花鍵齒面形成，呈現(xiàn)為多源斷裂特征，這一多源斷裂主要由輸出軸承受扭轉(zhuǎn)載荷造成低周疲勞。斷口形貌具有韌窩特征，心部微觀組織特征為貝氏體 + 低碳馬氏體 少量的鐵素體組織，由于滲碳淬火時(shí)輸出軸心部為低碳馬氏體，而低碳馬氏體具有微觀韌性斷裂特點(diǎn)，這說明心部組織具有良好的微觀韌性。

接著，對(duì)失效起始處花鍵齒面的斷口進(jìn)行掃描，電鏡掃描結(jié)果顯示微觀形貌呈現(xiàn)為沿晶斷口，次表面呈現(xiàn)為沿晶 + 準(zhǔn)解理斷口特征，如圖5所示。同樣，在滲碳淬火時(shí)輸出軸表面為高碳馬氏體，而高碳馬氏體具有微觀脆性斷裂。圖5表明斷口特征與零件的熱處理狀態(tài)相一致。

從以上的分析可以得出，輸出軸的設(shè)計(jì)和加工都滿足相關(guān)規(guī)范，輸出軸的斷裂具有低周疲勞特征。根據(jù)試驗(yàn)失效時(shí)的轉(zhuǎn)矩分析[19＼～21]，試驗(yàn)時(shí)實(shí)際載荷超過零件的設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度，而此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)中的過載保護(hù)裝置因后備系數(shù)過大沒有對(duì)變速器進(jìn)行過載保護(hù)。

明確變速器輸出軸斷裂原因之后，提出以下優(yōu)化措施：

1）改進(jìn)輸出軸原材料的性能。

2）增大花鍵根部R角，減少應(yīng)力集中。

3）降低過載保護(hù)裝置的后備系數(shù)。

通過改進(jìn)輸出軸原材料的性能、增大花鍵根部R角（應(yīng)力峰值降低約 123% ），減少應(yīng)力集中，經(jīng)過計(jì)算，輸出軸原材料總成靜扭強(qiáng)度增加了約 16% 。同時(shí)，降低過載保護(hù)裝置的后備系數(shù)，在變速器輸出軸超過承扭能力之后對(duì)其進(jìn)行必要的保護(hù)，優(yōu)化后的變速器輸出軸再也沒出現(xiàn)斷裂情況。

結(jié)語

以某汽車變速器在跳擋路試過程中出現(xiàn)的輸出軸斷裂為研究對(duì)象，論述了輸出軸的設(shè)計(jì)與加工過程，通過對(duì)輸出軸斷口的形貌及電鏡掃描分析，得到以下

結(jié)論：

1）規(guī)范的設(shè)計(jì)與加工有利于提高零部件性能。靜扭試驗(yàn)結(jié)果表明輸出軸能承受的轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，電鏡掃描結(jié)果顯示斷裂形式符合熱處理之后材料的特征。2）低周疲勞是輸出軸滿足設(shè)計(jì)加工要求之后依舊失效的重要因素。本案例中輸出軸的設(shè)計(jì)與加工均滿足規(guī)范，電鏡掃描結(jié)果顯示輸出軸的斷裂主要由低周疲勞造成。3）車輛設(shè)計(jì)過程中要統(tǒng)籌整體與局部。本案例中盡管輸出軸零件的設(shè)計(jì)與加工滿足規(guī)范，但過載保護(hù)裝置未能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的過載保護(hù)導(dǎo)致變速器輸出軸斷裂。

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