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      變速器中間軸斷裂失效分析及改進(jìn)

      2018-10-26 08:19:30劉曉雷向權(quán)力孫智金楊林
      汽車實(shí)用技術(shù) 2018年20期
      關(guān)鍵詞:中間軸尖角鍵槽

      劉曉雷,向權(quán)力,孫智金,楊林

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      變速器中間軸斷裂失效分析及改進(jìn)

      劉曉雷,向權(quán)力,孫智金,楊林

      (陜西法士特汽車傳動工程研究院,陜西 西安 710119)

      文章針對某款變速器疲勞壽命臺架實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的中間軸斷裂問題,分析了斷裂原因,提出了設(shè)計(jì)改進(jìn)方案,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性,給以后變速器設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

      變速器;中間軸;斷裂

      前言

      中間軸是變速器傳扭的重要零件,變速器中間軸的斷裂屬于I類嚴(yán)重故障[1],如果出現(xiàn)中間軸斷裂問題,將直接導(dǎo)致變速器損壞無法工作,嚴(yán)重者會導(dǎo)致車輛事故;因此,變速器中間軸的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要,需要充分了解工況設(shè)計(jì)較大的安全系數(shù);我公司某款單中間軸斜齒變速器,主機(jī)廠家發(fā)動機(jī)輸出扭矩增大約5%,為考察是否可以進(jìn)行匹配,根據(jù)客戶要求按照提升后的扭矩做強(qiáng)化疲勞壽命試驗(yàn),總共做了三輪疲勞壽命,分別在第5、8、10循環(huán)出現(xiàn)了中間軸斷裂的故障,因此可以判斷原有結(jié)構(gòu)變速器不能超扭使用,不然會帶來斷軸的風(fēng)險(xiǎn)??蛻魧Υ朔浅V匾?,要求我方找出原因并提出絕對有效的解決方案。

      1 問題描述及分析

      1.1 問題描述

      我公司某款單中間軸變速器在疲勞壽命試驗(yàn)第8循環(huán)二擋時發(fā)現(xiàn)異常震動,試驗(yàn)人員立即停機(jī),發(fā)現(xiàn)中間軸軸承蓋碎裂,拆箱發(fā)現(xiàn)中間軸二擋齒輪下方靠近半圓鍵前端部位斷裂。如圖1和圖2中框出所示。

      圖1 中間軸斷裂拆箱照片

      圖2 中間軸總成結(jié)構(gòu)圖

      該變速器為單中間軸全斜齒變速器,中間軸承受扭矩、彎矩共同作用,且中間軸上軸向力在前進(jìn)擋時抵消,此處斷裂在原變速器臺架試驗(yàn)中從未發(fā)生過,初步分析可能的原因有以下幾個方面:1)扭矩過大扭轉(zhuǎn)剪切斷裂;2)彎曲撓度過大彎曲折斷;3)原材料不滿足要求;4)存在裂紋缺陷;以上都是可能原因,必須經(jīng)過相關(guān)計(jì)算、檢測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證才能確認(rèn)根本原因。

      1.2 原因分析

      1.2.1撓度校核計(jì)算

      故障變速器是根據(jù)客戶要求扭矩增大4%進(jìn)行疲勞試驗(yàn),因此,我們有必要對新的輸入扭矩下的中間軸撓度進(jìn)行計(jì)算,本文通過Rom ax分析軟件,建立變速器齒輪傳動三維模型如圖3所示,給一軸進(jìn)行純扭矩加載,可以得出偏移量幅值云圖4,最終計(jì)算出變速器掛一檔時撓度最大為0.3mm,掛二擋時撓度最大為0.25mm,且最大撓度位置都在距離軸左端200mm處,通過比對中間軸圖紙,此處正是發(fā)生斷裂的部位。

      圖3 Rom ax計(jì)算模型

      圖4 Rom ax計(jì)算云圖

      圖5 掛一檔時中間軸撓度計(jì)算圖

      圖6 掛一檔時中間軸扭轉(zhuǎn)角計(jì)算圖

      圖7 掛二檔時中間軸撓度計(jì)算圖

      圖8 掛二檔時中間軸扭轉(zhuǎn)角計(jì)算圖

      1.2.2理化檢測及斷口形貌分析

      經(jīng)過理化檢測,發(fā)現(xiàn)中間軸材質(zhì)、表面硬度、金相組織、有效硬化層深,以及光軸斷裂部位的表面硬度、殘余層深等均符合技術(shù)要求;通過在顯微鏡下觀察可以判斷斷裂類型屬于旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂[2],斷裂源是在中間軸半圓鍵槽的尖角部位附近,初步懷疑是交變得彎曲和扭轉(zhuǎn)共同作用,使得此處超過了材料的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生了最初的裂紋,隨著疲勞裂紋的擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂。

      1.2.3半圓鍵槽初始裂紋驗(yàn)證

      圖10 鍵槽尖角處顯微照片

      經(jīng)過1.2.2的分析可知,裂紋源起始于半圓鍵尖角處,因此,有必要對半圓鍵槽處是否存在初始裂紋進(jìn)行驗(yàn)證,通過對比同一個中間軸,未安裝半圓鍵時、安裝半圓鍵拆裝后、疲勞試驗(yàn)?zāi)ズ虾箧I槽尖角處的顯微形貌發(fā)現(xiàn),如圖10 a)可以看到原始新軸尖角處無顯微裂紋,圖10 b)在安裝半圓鍵間隙是-0.05的情況下,拆去半圓鍵后發(fā)現(xiàn)尖角有長度為0.39毫米的裂紋;圖10 c)各檔磨合1h,一檔正式1小時,其余檔位30min后(五檔箱),排查未斷軸的變速器中間軸與半圓鍵配合間隙,基本都在0.003~0.007之間(設(shè)計(jì)配合是-0.075~0.012),因此從對比分析可以得知:半圓鍵過盈量較大情況,會使得半圓鍵槽尖角產(chǎn)生安裝的裂紋,并且試驗(yàn)過程中,此裂紋會因?yàn)榘雸A鍵剪切和軸的彎曲扭轉(zhuǎn)變形而加劇。

      綜合以上計(jì)算和檢測驗(yàn)證,可知此變速器中間軸斷裂失效原因如下:中間軸斷裂處撓度最大,且比較同類單中間軸變速器,其撓度值偏高于其他箱型;裂紋源始于半圓鍵槽尖角處,且半圓鍵過盈量較大情況,會使得半圓鍵槽尖角產(chǎn)生安裝的裂紋(砸半圓鍵進(jìn)入鍵槽),此裂紋會在試驗(yàn)過程中由于軸的彎曲扭轉(zhuǎn)變形、半圓鍵的剪切變形等而不斷加劇,最終擴(kuò)展以致斷裂。此中間軸斷裂是一個疲勞斷裂的過程,在中間軸發(fā)生瞬斷之前,中間軸的徑向定心產(chǎn)生嚴(yán)重傾斜,中間軸上軸向力不能抵消,軸向力通過后端軸承最終傳遞到軸承蓋上,使得軸承蓋發(fā)生碎裂。

      2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

      圖11所示為改進(jìn)設(shè)計(jì)的中間軸的結(jié)構(gòu)方案,跟原來結(jié)構(gòu)相比較,為了規(guī)避半圓鍵安裝以及受力帶來尖角顯微裂紋的情況,取消了半圓鍵,通過類比其他單中間軸變速器的最大撓度,對中間軸二檔處危險(xiǎn)截面的軸徑進(jìn)行加粗設(shè)計(jì),二檔齒輪與中間軸過盈聯(lián)結(jié),為了避免過盈安裝對于齒根彎曲強(qiáng)度的影響,其中二檔輪齒部下方是小過盈配合。將改進(jìn)后的中間軸總成裝配兩臺樣機(jī)進(jìn)行總成疲勞壽命試驗(yàn)和靜扭臺架試驗(yàn),均順利通過,后續(xù)跟蹤路試未反饋問題,經(jīng)過了市場的驗(yàn)證,我們可以認(rèn)為改進(jìn)效果明顯,解決了中間軸斷裂的問題。

      圖11 改進(jìn)設(shè)計(jì)中間軸結(jié)構(gòu)

      3 結(jié)論

      本文針對某款變速器中間軸斷裂的問題,從有限元撓度計(jì)算、理化檢測及斷口形貌分析、裂紋源對比驗(yàn)證四個方面進(jìn)行了原因分析,中間軸斷裂是斷裂處撓度偏大、半圓鍵大過盈裝配初始裂紋、中間軸交變的彎曲變形等幾個因素疊加最終造成的結(jié)果,本文的原因分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)對于其它變速器設(shè)計(jì)有很大的參考價值。

      [1] 沈鴻.機(jī)械工程手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

      [2] 楊瑞成等.失效分析與選材[M].上海:上海交通大學(xué)出版社.2014.

      [3] 宋進(jìn)桂,龔宗洋.汽車變速器理論基礎(chǔ)選擇設(shè)計(jì)與應(yīng)用.[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2011.

      [4] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)(第五版)第2卷[S].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

      Analysis and improvement of breaking reason of transmission counter shaft

      Liu Xiaolei, Xiang Quanli, Sun Zhijin, Yang Lin

      ( Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Institute, Shaanxi Xi’an 710119 )

      Aiming at the problem of counter shaft fracture during the experiment of a transmission's fatigue life, this paper analyzes the cause of fracture, puts forward a design improvement scheme, and verifies the feasibility of the improvement scheme through experiments, providing important reference for the later design of transmission.

      transmission; counter shaft; fracture

      A

      1671-7988(2018)20-87-03

      U463.212+.4

      A

      1671-7988(2018)20-87-03

      U463.212+.4

      劉曉雷,男,工學(xué)碩士,主要從事汽車傳動產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作。

      10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.031

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