全浮式半軸故障改進(jìn)淺析

干 慧

(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院,合肥 230012)

一、全浮式半軸常見(jiàn)的故障模式

全浮式半軸作為驅(qū)動(dòng)橋總成的一個(gè)重要的組成部分,其主要功能是將主減速器力矩傳遞到輪邊。作為一個(gè)連接件,其常見(jiàn)斷裂、磨損、彎曲變形等故障。全浮式半軸的故障容易造成安全隱患,所以要對(duì)其進(jìn)行分析和研究工作。

從上述故障型可以看出,主要損壞位置在其軸部,此部位為應(yīng)力集中區(qū)域,所以需要針對(duì)這個(gè)薄弱位置進(jìn)行加強(qiáng)。

二、全浮式半軸的故障分析

(一)故障信息

在某礦區(qū)內(nèi),發(fā)生多起同類型全浮式半軸扭斷的故障,其斷裂位置主要集中在其軸部(φ64mm向φ58mm的過(guò)渡區(qū)域,如上述全浮式半軸軸部螺旋斷裂)。

對(duì)運(yùn)行工況現(xiàn)場(chǎng)勘查,在礦區(qū)內(nèi)出廠區(qū)域存在一段工況較為惡劣的地段,緩坡200m。由裝載點(diǎn)開(kāi)始大約50m的區(qū)域被約100mm厚的煤層覆蓋,路面不平,較為松軟,并且坡度為13°～15°。在裝滿煤的情況下二檔起步,整車作用力都集中在中后橋上,易造成全浮式半軸損壞;在其上大約70m的硬路坡度為10°～13°左右的緩坡;在其上大約100m的硬路坡度為7°～10°左右的緩坡;整個(gè)起步過(guò)程中都是坡道行駛,此路為唯一外運(yùn)之路,路面上車輛比較多,剎車制動(dòng)與換擋起步頻繁,路況惡劣,且有超載現(xiàn)象。

該全浮式半軸故障件理化檢測(cè)合格,不存在產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題,且產(chǎn)品的工藝符合要求。整車惡劣的使用環(huán)境(超載、路面顛簸等)、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能不匹配以及用戶不規(guī)范的使用因素在全浮式半軸的斷裂故障中所占比例較大,但是由于車橋生產(chǎn)廠家無(wú)法限定市場(chǎng)客戶的使用環(huán)境等,所以需要強(qiáng)化自身去適應(yīng)工作環(huán)境。

結(jié)合整車的使用環(huán)境和承載量,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的分析,求解在最大牽引力工況下應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律,判斷該全浮式半軸是否滿足使用要求。本次采用理論計(jì)算并結(jié)合三維軟件建立全浮式半軸的三維實(shí)體模型,使用Hyperworks仿真軟件對(duì)全浮式半軸進(jìn)行靜力學(xué)分析,有針對(duì)性地進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

(二)性能計(jì)算

當(dāng)車輛以最大牽引力行駛時(shí),其受力狀態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 汽車最大牽引力行駛時(shí)受力狀態(tài)簡(jiǎn)圖

因驅(qū)動(dòng)橋傳遞驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小受到地面最大摩擦力的制約,因此按地面最大摩擦力所提供的摩擦力力矩計(jì)算:

通過(guò)計(jì)算得出,全浮式半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和最大扭矩轉(zhuǎn)角均不在理論范圍內(nèi),它的強(qiáng)度不能滿足該整車的運(yùn)行要求,為提高產(chǎn)品性能,現(xiàn)需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

(三)改進(jìn)方案

為了滿足安裝要求,同時(shí)要考慮全浮式半軸整體結(jié)構(gòu)和加工方便性,制定了如下三個(gè)改進(jìn)方式:

方式一:增大全浮式半軸桿部直徑。全浮式半軸作為一個(gè)軸類零部件,因需要連接主減總成和輪邊總成來(lái)傳輸力矩,故其總體結(jié)構(gòu)較長(zhǎng),所以全浮式半軸的桿部結(jié)構(gòu)直接影響產(chǎn)品的性能。

全浮式半軸的桿部直徑的初步選擇如下:

全浮式半軸的桿部直徑在滿足基本的使用強(qiáng)度前提下,還可以根據(jù)它的使用環(huán)境及承載量進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟?以提高整體性能,但并不是越粗越好。直徑超過(guò)合理范圍,不僅不能提高整體性能,還會(huì)變得笨重,從而降低傳輸功能。同時(shí)還要考慮到安裝要求,由于全浮式半軸和橋殼總成內(nèi)徑均有跳動(dòng)度,為了防止干涉,全浮式半軸的桿部直徑不宜過(guò)大。

由于加工完成后的軸頭內(nèi)徑為φ67mm(見(jiàn)圖2),所以初選的全浮式半軸的桿部直徑在合理范圍內(nèi),但是由于全浮式半軸和橋殼總成內(nèi)徑均有跳動(dòng)度,為了防止干涉,全浮式半軸的桿部直徑不宜過(guò)大。另外,全浮式半軸的花鍵也是故障頻發(fā)區(qū)域。為了滿足整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,它的花鍵內(nèi)徑不宜過(guò)多地小于桿部直徑(全浮式半軸的花鍵內(nèi)徑為φ56.77mm),最后還要考慮全浮式半軸原材料的直徑以及鍛造設(shè)備的可操作性。綜合以上因素,我們選擇將全浮式半軸的桿部直徑由φ58mm增大到φ62mm。

圖2 軸頭結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

當(dāng)全浮式半軸的桿部直徑D=62mm時(shí):

全浮式半軸實(shí)心狀態(tài)下抗扭截面系數(shù)Wt:

θ＞[θ],全浮式半軸的最大扭矩轉(zhuǎn)角滿足使用要求。

方案一:將全浮式半軸的桿部直徑由φ58mm改為φ62mm。

方式二:加長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)域尺寸。通過(guò)加長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)域尺寸,減小過(guò)渡傾角,使過(guò)渡的整體結(jié)構(gòu)更加平緩,避免應(yīng)力集中,但要注意全浮式半軸和橋殼總成的跳動(dòng)對(duì)過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整度以及干涉問(wèn)題。

如圖3、圖4所示,因軸頭端部?jī)?nèi)徑φ70mm的長(zhǎng)度為30mm,通過(guò)安裝尺寸計(jì)算,過(guò)渡區(qū)會(huì)有20mm在此區(qū)域。為了保證安裝和潤(rùn)滑的要求,需要全浮式半軸與軸頭之間保證有2mm及以上的間距(單邊),所以需要過(guò)渡區(qū)進(jìn)入φ67mm區(qū)域的最大直徑不大于φ63mm。

圖3 全浮式半軸三維模型

圖4 過(guò)渡區(qū)域示意圖

方案二:將全浮式半軸過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度由原始的24mm調(diào)整為50mm。

方式三:加長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)域尺寸和增大全浮式半軸桿部直徑同時(shí)進(jìn)行。

方案四:將全浮式半軸的桿部直徑由φ58mm改為φ62mm,過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度由原始的24mm調(diào)整為50mm。

(四)有限元分析

建立三維模型,輸入原材料的性能參數(shù),并利用HyperWorks軟件對(duì)其進(jìn)行性能分析(見(jiàn)表1、表2):

表1 全浮式半軸原材料性能參數(shù)

表2 全浮式半軸原材料性能參數(shù)

分析結(jié)果顯示,最大應(yīng)力與我們計(jì)算的結(jié)果相類似,這三種改進(jìn)方案均使得全浮式半軸的性能得到了提高,但第三種改進(jìn)方案的改進(jìn)成果更加顯著。

三、結(jié)語(yǔ)

有限元分析的結(jié)果顯示,全浮式半軸改進(jìn)前的應(yīng)力為779.218MPa,按第三種方案改進(jìn)后的應(yīng)力為615.185MPa。通過(guò)對(duì)比這兩組數(shù)據(jù),改進(jìn)后整體性能提高了21.05%,所以,建議將全浮式半軸的桿部直徑改為φ62mm,過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度加長(zhǎng)至50mm。