重型特种车辆传动轴的断裂分析.pdf

Automobile Parts 2023.06069Fracture Analysis of Drive Shaft for Heavy Special Vehicle重型特种车辆传动轴的断裂分析收稿日期:2022-10-05作者简介:邱栋(1989),男,硕士研究生,工程师,研究方向为特种车辆设计研发工作。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.014重型特种车辆传动轴的断裂分析邱栋,岳莹莹,樊兴晨,刘学斌泰安航天特种车有限公司,山东泰安 271000摘要:针对某车辆在行驶过程中出现的传动轴断裂问题,对造成该问题出现的可能性进行了逐一排查分析。主要从传动轴总成设计、传动轴总成生产质量、传动轴总成使用等方面对原因进行分析,并通过仿真分析、断裂源区微观观察、试验分析定位了问题出现的原因,得出主要原因为传动轴总成的卡簧未安装到位,传动轴总成旋转过程中由于轴套在离心力的作用向外移动,引起轴套和滚针脱出,十字轴无定心,万向节总成失稳,最终导致十字轴断裂。通过有限元分析及台架试验对故障进行复现,验证了故障定位的准确性。通过完善装配工艺,量化卡簧装配到位要求,避免了上述问题的再次发生,改进方案实施有效可行。关键词:传动轴;断裂;十字轴;万向节中图分类号:U463.21Fracture Analysis of Drive Shaft for Heavy Special VehicleQIU Dong,YUE Yingying,FAN Xingchen,LIU XuebinTaian Aerospace Special Vehicle Co.,Taian Shandong 271000,ChinaAbstract:In view of the transmission shaft fracture of a vehicle in the process of driving,the possible causes of this problem were analyzed one by one.The causes were analyzed mainly from the aspects of the design of the drive shaft assembly,the production quality of the drive shaft assembly,the use of the drive shaft assembly,etc.The causes of the problems were located through simulation analysis,micro-scopic observation of fracture source area,test analysis.It was concluded that the main reason was that the spring of the shaft assembly was uninstalled in place.During the rotation of the shaft assembly,the bushing moved outward under the action of centrifugal force,which caused the shaft sleeve and the needle to come out,the cross shaft was centerless,the universal joint assembly was unstable,and finally the cross shaft was broken.Through finite element analysis and bench test,the fault was reproduced,and the accuracy of fault location was verified.By improving the assembly process and quantifying the requirements of circlip assembly in place,the recurrence of the above problems is avoided.The improvement program is effective and feasible.Keywords:transmission shaft;fracture;cross shaft;universal joint0 引言重型车辆的传动系统主要用于动力的传递,不同总成之间的动力传递主要依靠传动轴进行动力及转矩的传递。因车辆在行驶时传动轴一直为转动状态,传动轴不仅需要足够的强度,而且也要考虑其动态特性。若传动轴出现不平衡状态,不仅会产生较大的振动,而且对其寿命将产生影响;若传动轴性能不能满足使用需要将会影响传动轴的正常运转,严重时将会出现断裂现象,从而影响行车安全1-4。本文针对某重型车辆出现的传动轴断裂问题,分析了可能造成此问题的原因,并对传动轴进行改进,避免了此问题的再次发生,保证了车辆行车安全及正常行驶的需要。1 问题描述故障发生时底盘行驶里程约 17 000 km,分动箱输入端的万向节总成从动端十字轴出现断裂,十字轴沿轴肩处从上裂到下,头部和根部有较明显的滚针印痕,滚针轴承轴套开裂,轴套的顶盖沿根部断裂。断裂位置如图1 所示。图 1 断裂位置2023.06 Automobile Parts070检测与维修Testing&Servicing2 传动轴结构及工作原理如图 2 所示,此传动轴连接于变速箱与分动器之间,动力从变速箱输出法兰盘传递动力到万向节十字轴总成,通过万向节十字轴总成传递动力到焊接叉、轴管及花键套的焊合总成上,滑动花键套与花键轴叉连接并传递动力,花键轴叉通过万向节及端面齿法兰盘传递到分动器输入法兰盘上,将扭矩进一步分配到各个驱动桥、车轮,从而驱动车辆行驶。图 2 传动轴装配位置3 故障原因分析3.1 传动轴总成设计分析3.1.1 静强度校核采用有限元分析对十字轴进行强度校核,其应力云图如图 3 所示。输入扭矩均按照额定扭矩 21 000 N m 进行计算,边界条件为法兰面固定 6 个自由度,输入端中心点与球碗表面耦合,施加额定扭矩载荷,十字轴、滚针轴承、衬套和叉子之间分别建立接触,摩擦因数取0.19,只限制滚针轴承、衬套径向位移自由度。图 3 十字轴应力云图十字轴材料为 SAE8620H,热处理采用渗碳淬火,材料屈服强度为 785 MPa。由计算结果可知,最大应力为 360 MPa,安全系数为 2.16,满足传动轴总成安全系数大于 2 的要求。为了进一步验证,本文对传动轴总成进行静扭试验,对应损坏处为端面齿脱落,连接螺栓断裂,传动轴总成破坏扭矩为 43 410 N m,破坏扭矩大于 42 000 N m,满足安全系数大于 2 的设计要求。3.1.2 疲劳强度校核根据汽车传动轴总成台架试验方法对传动轴总成进行扭转疲劳试验,试验结果寿命为 151 000 次,高于标准 150 000 次,根据汽车传动轴总成技术条件,疲劳强度满足设计要求。3.1.3 传动轴极限转速校核通过有限元分析对传动轴进行模态分析,分析其动态特性情况,对传动轴固有频率进行计算。传动轴两端仅保留旋转自由度,中间花键处建立移动副,模态分析结果如图 4 所示。图 4 传动轴模态分析结果由图 4 可知,传动轴的一阶固有频率为 105.5 Hz,则对应的转速为 6 330 r/min,与经验值转速 7 026 r/min结果相当,传动轴转速满足设计要求。综合上述分析结果,传动轴的静强度、疲劳强度、临界转速均满足设计要求,因此此种原因可以排除。3.2 传动轴总成生产质量分析将损坏断裂的十字轴总成进行失效分析,十字轴断口为一次性断裂,断口源区位于表面,源区及淬硬层区域均呈韧窝形貌,芯部扩展区均呈准解理形貌。断裂微Automobile Parts 2023.06071观形貌如图 5 所示。图 5 断裂微观形貌 由图 5 可以看出,断面未见明显材料缺陷,因此此种原因可以排除。3.3 传动轴使用工况分析3.3.1 使用载荷测试针对传动轴工作载荷,通过台架试验和实车跑车试验进行载荷分析,测试极限工况下的载荷情况,传动系统联调台架试验如图 6 所示。台架试验主要选取最大爬坡度工况及行驶至最高车速的工况作为测试工况。图 6 传动系统联调台架试验 依据台架试验,模拟满载最大爬坡 15%工况下的载荷,对变速器各工作挡位下的输出扭矩进行了测试,结果见表 1。表 1 输出扭矩测试结果单位:N m参数1 挡2 挡变速箱输出扭矩15 90016 280在行驶工况为最大爬坡度 15%条件下,对应的变速器输出扭矩峰值约为 16 000 N m,即为传动轴承受的最大扭矩。进一步通过实车跑车测试对车辆的载荷情况进行提取,并在传动轴处布置测试点,车辆的工况为车辆原地起步工况,从变速器 1 或 2 挡起步,连续升挡至最高车速工况,对应的分动器输入端传动轴扭矩,如图 7 和图 8 所示。经过实测分动器输入端传动轴的最大扭矩约为 9 000 Nm,此扭矩即为传动轴承载的扭矩值。图 7 1 挡起步工况扭矩图 8 2 挡起步工况扭矩Fracture Analysis of Drive Shaft for Heavy Special Vehicle重型特种车辆传动轴的断裂分析2023.06 Automobile Parts072检测与维修Testing&Servicing对最大爬坡度工况下的分动器输入端传动轴的扭矩和转速实车跑车进行测试,15%坡度 1 挡和 2 挡爬坡工况下的传动轴的扭矩和转速变化曲线如图 9 和图 10所示。图 9 15%坡度 1 挡爬坡工况下的传动轴的扭矩和转速变化曲线图 10 15%坡度 2 挡爬坡工况下的传动轴的扭矩和转速变化曲线通过最大爬坡度工况下台架与跑车的试验结果可知,最大爬坡度工况下车辆所承受的载荷最大,台架试验与跑车试验扭矩载荷值相近,可以判断车辆实车测试结果与台架试验计算结果具有高度一致性,这样表明了台架测试平台的准确性。综合上述测试分析,车辆在最大爬坡度 15%工况下的测试扭矩约为 16 000 N m,且载荷最大,未超出传动轴额定 21 000 Nm 的设计要求。3.3.2 最高转速测试在高速路跑车试验过程中,最高车速为 68.75 km/h,对应的传动轴转速为 2 432 r/min,未超出传动轴转速许用范围,传 动 轴 的 转 速 与 车 速 变 化 曲 线 如 图 11所示。图 11 传动轴的转速与车速变化曲线综合上述分析结果可知,传动轴使用工况均在许用范围内。3.4 卡簧安装到位确认本次故障中,从动端的卡环均已丢失,因此从故障件无法判断卡环是否装配到位,复查传动轴装配记录卡,卡簧装配过程均采用目测,没有装配的量化值,因此无法确认卡簧是否安装到位。卡簧未安装到位会导致轴套在传动轴总成旋转过程中由于离心力的作用向外移动,导致轴套和滚针脱出,十字轴无定心,万向节总成失稳,最终导致十字轴断裂。此外通过排查零件尺寸、卡簧硬度、法兰盘螺栓连接情况、润滑脂加注情况、传动轴安装角度等方面原因均得以排除。综上可以得出,卡环未安装到位为此次传动轴断裂的原因。4 机制分析及故障复现4.1 机制分析在车辆行驶振动环境下,卡簧未安装到位会导致轴套在传动轴总成旋转过程中由于离心力的作用向外移动,导致轴套和滚针脱出,十字轴无定心,万向节总成失稳,最终导致十字轴断裂。卡簧未装配到位示意如图12 所示。Automobile Parts 2023.06073图 12 卡簧未装配到位示意4.2 故障复现对无轴套定心时单侧十字轴的万向节总成进行受力仿真计算,十字轴应力云图如图 13 所示。轴颈应力达 1 188 MPa,超出十字轴材料的屈服强度,存在断裂的可能性。图 13 十字轴应力云图十字轴串动示意如图14 所示,通过台架对上述故障进行复现发现,由于一端轴颈无轴套定心,在运转过程中,另外一侧的轴颈也已串动,且承受全部载荷,极易出现断裂。图 14 十字轴串动示意5 结束语综上分析,传动轴总成损坏问题定位为卡簧未安装到位,传动轴总成旋转过程中轴套由于离心力的作用向外移动,导致轴套和滚针脱出,十字轴无定心,万向节总成失稳,最终导致十字轴断裂。基于上述故障问题的准确定位,提出改进方案,即通过完善装配工艺,量化卡簧装配到位要求,避免主观目测,来达到避免此问题再次出现。通过改进方案的实施,传动轴总成未再出现断裂现象,说明故障定位准确,改进方案措施有效。参考文献:1 张得富.某型号乘用车传动轴总成动力学特性研究与优化D.郑州:郑州大学,2020.2 于博洋.冲击载荷下附件传动系统动力学及疲劳特性研究D.沈阳:沈阳工业大学,2017.3 李晓天.对称和单向扭矩下等速传动轴疲劳寿命的差异J.汽车零部件,2013(5):53-54.LI X T.Difference of CV driveshaft fatigue life under symmetrical and pulsating dynamic torque J.Automobile parts,2013(5):53-54.4 刘迪辉,彭浩毅,张宏亮,等.干混物料运输车取力器螺栓疲劳寿命分析J.机械强度,2022,44(1):245-249.LIU D H,PENG H Y,ZHANG H L,et al.Fatigue life analysis of power take-off box bolts of dry-mixed mortar transport truckJ.Journal of mechanical strength,2022,44(1):245-249.Fracture Analysis of Drive Shaft for Heavy Special Vehicle重型特种车辆传动轴的断裂分析