汽車驅(qū)動(dòng)橋可靠性試驗(yàn)方法研究及失效分析

周倩瑤，郭鵬鹍，李妮妮，王秋敏

(中汽檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

驅(qū)動(dòng)橋是車輛的重要組成部分，一般由橋殼、主減速器、差速器、半軸、輪邊減速器等組成[1]。汽車驅(qū)動(dòng)橋處于動(dòng)力傳動(dòng)系的末端，其基本功能是增大由傳動(dòng)軸或變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并將動(dòng)力合理地分配給左、右驅(qū)動(dòng)輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力[2]。因此，汽車生產(chǎn)商一般都會(huì)對(duì)每一批驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，以考核驅(qū)動(dòng)橋的質(zhì)量。

1 汽車驅(qū)動(dòng)橋試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及疲勞試驗(yàn)概述

橋殼、主減速器、半軸都是驅(qū)動(dòng)橋的重要零部件，在汽車行駛過(guò)程中，一直都承受著交變載荷的作用，一旦出現(xiàn)損壞，將會(huì)發(fā)生難以預(yù)料的事故。因此，驅(qū)動(dòng)橋可靠性試驗(yàn)主要通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》、QC/T 534-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》、QC/T 293-1999《汽車半軸臺(tái)架試驗(yàn)方法》、QC/T 294-1999《汽車半軸技術(shù)條件》及企業(yè)制定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，一般包括：驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)、驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)、半軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。

1.1 驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)方法

驅(qū)動(dòng)橋橋殼承受著復(fù)雜的作用力，尤其是在汽車行駛過(guò)程中通過(guò)不平的路面、車輪與地面間所產(chǎn)生的沖擊載荷。如果橋殼疲勞強(qiáng)度不夠，會(huì)引起橋殼的變形或斷裂。橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)主要是模擬橋殼在實(shí)車上的垂向工況，一般取樣5件，以中值疲勞壽命不低于80萬(wàn)次、且試驗(yàn)樣品中最低壽命不低于50萬(wàn)次來(lái)評(píng)判。如圖1所示，將橋殼安裝在支架上，支點(diǎn)為該橋輪距的相應(yīng)點(diǎn)，垂直載荷加載點(diǎn)為二鋼板彈簧中心。安裝時(shí)加力方向應(yīng)與橋殼軸管中心線垂直，支點(diǎn)應(yīng)能滾動(dòng)，以適應(yīng)加載變形不致運(yùn)動(dòng)干涉。以驅(qū)動(dòng)橋滿載軸荷的2.5倍作為最大載荷，以應(yīng)力為零時(shí)的載荷作為最小載荷，利用液壓疲勞試驗(yàn)機(jī)施加近似正弦波的交變載荷，頻率一般為5～6 Hz，直至橋殼破裂。

圖1 橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)力點(diǎn)、支點(diǎn)的位置簡(jiǎn)圖

1.1.2 失效分析

機(jī)械零部件在循環(huán)載荷的作用下，在某個(gè)或者某些應(yīng)力較大部位產(chǎn)生損傷并且逐漸累積，以致機(jī)械性能退化，裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展直到完全斷裂的失效形式，即為疲勞失效[3]。受到垂向載荷的橋殼，最容易產(chǎn)生疲勞失效的地方是過(guò)渡連接的地方，比如說(shuō)橋殼凸緣與半軸套管過(guò)渡區(qū)域、板簧位置和橋殼連接焊縫處等。圖2(a)是垂直彎曲疲勞試驗(yàn)波形曲線，圖2(b)是一款橋殼在28.96萬(wàn)次試驗(yàn)后板簧座下側(cè)旁開(kāi)裂的情況，圖2(c)是一款橋殼在42.58萬(wàn)次試驗(yàn)后套管與支架處斷裂的情況?？梢钥闯觯簣D2(b)和圖2(c)的橋殼失效位置均為加載載荷的板簧位置附近。由于橋殼下部受拉應(yīng)力，上部受壓應(yīng)力，所以橋殼下方的圓弧過(guò)渡處或結(jié)構(gòu)改變處首先形成裂紋。而裂紋的存在會(huì)造成應(yīng)力集中，在承受交變載荷循環(huán)一定次數(shù)下裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，使橋殼疲勞強(qiáng)度急劇下降，直至強(qiáng)度不足最終造成零件斷裂。此時(shí)應(yīng)該考慮改善板簧座及連接位置的受力狀況，緩解應(yīng)力集中狀況；對(duì)橋殼表面質(zhì)量進(jìn)行淬火等強(qiáng)化處理，以提高橋殼疲勞壽命。

圖2 垂直彎曲疲勞試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)后失效情況

1.2 驅(qū)動(dòng)橋總成齒輪疲勞試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方法

齒輪疲勞試驗(yàn)主要是為了再現(xiàn)實(shí)車典型工況中，主減速器錐齒輪相互接觸、承受載荷的疲勞壽命情況。取樣不得少于5件，以中值疲勞壽命不低于50萬(wàn)次、且試驗(yàn)樣品中最低壽命不低于30萬(wàn)次來(lái)評(píng)判。

關(guān)于試驗(yàn)條件，首先是確定試驗(yàn)所要加載負(fù)荷扭矩大小。表1為一款驅(qū)動(dòng)橋總成的參數(shù)，下面以此參數(shù)進(jìn)行計(jì)算示例：

按發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算試驗(yàn)載荷：

MPe=Memax·i1=146.5×3.759=551 N·m

按最大附著力計(jì)算試驗(yàn)載荷：

MPφ=P·φ·rk/i0=1 060×9.8×0.8×0.299/4.3=578 N·m

式中：P為滿載軸荷，N；φ為附著系數(shù)，取0.8。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)扭矩取MPe與MPφ之中較小的一個(gè)，即MP=551 N·m。

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n=3 600/3.759=958 r/min。

表1 驅(qū)動(dòng)橋總成參數(shù)

其次是要控制好潤(rùn)滑油油溫。由于齒輪在嚙合中受到較大的接觸應(yīng)力，潤(rùn)滑條件苛刻，油液摩擦產(chǎn)生較大的熱量，升溫較高，為了保證更加真實(shí)地重現(xiàn)實(shí)車工況，以免影響試驗(yàn)結(jié)果，必須實(shí)時(shí)控制潤(rùn)滑油的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，不能過(guò)低或過(guò)高。一般使用雙曲線齒輪油時(shí)，需控制在85～120 ℃。圖3是冷卻方式為水冷的齒輪疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖3 齒輪疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

1.2.2 失效分析

齒輪疲勞試驗(yàn)后的異常情況，幾乎都是齒輪失效，其中包括輪齒斷裂、齒面嚴(yán)重剝落或點(diǎn)蝕等形式。齒輪在嚙合過(guò)程中，表面層深處會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)變化的剪應(yīng)力。當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)了齒輪材料的剪切強(qiáng)度極限，齒面會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，最終使齒面出現(xiàn)小塊金屬剝落，在齒面上形成小坑，即為點(diǎn)蝕。當(dāng)點(diǎn)蝕進(jìn)一步擴(kuò)大，就會(huì)形成齒面大塊的金屬剝落，嚴(yán)重剝落甚至?xí)斐奢嘄X折斷[4]。圖4是總成齒輪疲勞試驗(yàn)后出現(xiàn)的斷齒情況，此時(shí)需要考慮提高齒輪材料的強(qiáng)度，或通過(guò)分析齒輪間嚙合受力情況，改進(jìn)齒輪結(jié)構(gòu)。

圖4 齒輪疲勞試驗(yàn)后斷齒情況

1.3 半軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)方法

汽車半軸是將差速器與驅(qū)動(dòng)輪連接起來(lái)的軸，當(dāng)汽車平穩(wěn)勻速行駛時(shí)，半軸承受和傳遞恒定的扭矩，半軸在汽車起動(dòng)、剎車以及在崎嶇道路上行駛時(shí)，要承受扭轉(zhuǎn)交變的沖擊載荷，且載荷值較大，造成半軸斷裂或損傷[5]。由于半軸主要承受的是扭矩，所以扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)就是很好的考察半軸壽命質(zhì)量的方法。同樣地，一般取樣5件，以中值疲勞壽命和試驗(yàn)樣品中最低壽命來(lái)評(píng)判。試驗(yàn)計(jì)算扭矩按發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算與按最大附著力計(jì)算，取兩者中較小的一個(gè)。正式進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，以0.1倍計(jì)算扭矩作為最小試驗(yàn)扭矩，計(jì)算扭矩與最小試驗(yàn)扭矩的和作為最大試驗(yàn)扭矩，對(duì)半軸加載非對(duì)稱的近似正弦波，直至半軸出現(xiàn)損壞。由于半軸的端部是花鍵，不能通過(guò)直接夾持來(lái)加載扭矩，不然很大可能會(huì)造成花鍵磨損或者半軸松脫，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，所以一般會(huì)使用半軸端部花鍵配合的半軸齒輪，再固定在法蘭盤上，通過(guò)法蘭盤再與試驗(yàn)機(jī)固定，保證試驗(yàn)正常進(jìn)行。

1.3.2 失效分析

從結(jié)構(gòu)上分析，半軸主要分為法蘭盤、桿部和花鍵3個(gè)部分，如圖5(a)所示。兩端分別與半軸齒輪和車輪連接。花鍵輸入扭矩，桿部傳遞扭矩，法蘭盤輸出扭矩?；ㄦI與桿部連接處以及半軸桿部與法蘭盤的圓弧連接處，是半軸截面發(fā)生變化的過(guò)渡圓角處，應(yīng)為整個(gè)半軸應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位。在應(yīng)力集中的局部區(qū)域易形成疲勞裂紋，造成疲勞斷裂的現(xiàn)象。圖5(b)是一款半軸在花鍵與桿部連接處斷裂的損壞情況。另外花鍵齒頂部與齒輪直接接觸，受到很大沖擊扭轉(zhuǎn)力，損壞的概率也較大。

圖5 半軸結(jié)構(gòu)與斷裂情況

2 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合驅(qū)動(dòng)橋的受力工況和結(jié)構(gòu)情況，具體描述橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)、總成齒輪疲勞試驗(yàn)、半軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，分析實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的失效模式，都是由于應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)散進(jìn)而出現(xiàn)更嚴(yán)重的損壞情況。應(yīng)該注意提高受力集中位置的表面質(zhì)量，并從結(jié)構(gòu)上改善受力情況，為設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋做出了參考。

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