變速器中間軸斷裂失效分析及改進

劉曉雷，向權力，孫智金，楊林

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變速器中間軸斷裂失效分析及改進

劉曉雷，向權力，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驗過程中出現的中間軸斷裂問題，分析了斷裂原因，提出了設計改進方案，并通過實驗驗證了改進方案的可行性，給以后變速器設計提供了重要的參考。

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類嚴重故障[1]，如果出現中間軸斷裂問題，將直接導致變速器損壞無法工作，嚴重者會導致車輛事故；因此，變速器中間軸的設計是至關重要，需要充分了解工況設計較大的安全系數；我公司某款單中間軸斜齒變速器，主機廠家發動機輸出扭矩增大約5%，為考察是否可以進行匹配，根據客戶要求按照提升后的扭矩做強化疲勞壽命試驗，總共做了三輪疲勞壽命，分別在第5、8、10循環出現了中間軸斷裂的故障，因此可以判斷原有結構變速器不能超扭使用，不然會帶來斷軸的風險?？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第8循環二擋時發現異常震動，試驗人員立即停機，發現中間軸軸承蓋碎裂，拆箱發現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 中間軸總成結構圖

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擋時抵消，此處斷裂在原變速器臺架試驗中從未發生過，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，必須經過相關計算、檢測和實驗驗證才能確認根本原因。

1.2 原因分析

1.2.1撓度校核計算

故障變速器是根據客戶要求扭矩增大4%進行疲勞試驗，因此，我們有必要對新的輸入扭矩下的中間軸撓度進行計算，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，給一軸進行純扭矩加載，可以得出偏移量幅值云圖4，最終計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，此處正是發生斷裂的部位。

圖3 Rom ax計算模型

圖4 Rom ax計算云圖

圖5 掛一檔時中間軸撓度計算圖

圖6 掛一檔時中間軸扭轉角計算圖

圖7 掛二檔時中間軸撓度計算圖

圖8 掛二檔時中間軸扭轉角計算圖

1.2.2理化檢測及斷口形貌分析

經過理化檢測，發現中間軸材質、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要求；通過在顯微鏡下觀察可以判斷斷裂類型屬于旋轉彎曲疲勞斷裂[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共同作用，使得此處超過了材料的抗拉強度而產生了最初的裂紋，隨著疲勞裂紋的擴展，最終導致斷裂。

1.2.3半圓鍵槽初始裂紋驗證

圖10 鍵槽尖角處顯微照片

經過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行驗證，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、疲勞試驗磨合后鍵槽尖角處的顯微形貌發現，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，拆去半圓鍵后發現尖角有長度為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（設計配合是-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生安裝的裂紋，并且試驗過程中，此裂紋會因為半圓鍵剪切和軸的彎曲扭轉變形而加劇。

綜合以上計算和檢測驗證，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生安裝的裂紋（砸半圓鍵進入鍵槽），此裂紋會在試驗過程中由于軸的彎曲扭轉變形、半圓鍵的剪切變形等而不斷加劇，最終擴展以致斷裂。此中間軸斷裂是一個疲勞斷裂的過程，在中間軸發生瞬斷之前，中間軸的徑向定心產生嚴重傾斜，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，使得軸承蓋發生碎裂。

2 改進設計及驗證

圖11所示為改進設計的中間軸的結構方案，跟原來結構相比較，為了規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截面的軸徑進行加粗設計，二檔齒輪與中間軸過盈聯結，為了避免過盈安裝對于齒根彎曲強度的影響，其中二檔輪齒部下方是小過盈配合。將改進后的中間軸總成裝配兩臺樣機進行總成疲勞壽命試驗和靜扭臺架試驗，均順利通過，后續跟蹤路試未反饋問題，經過了市場的驗證，我們可以認為改進效果明顯，解決了中間軸斷裂的問題。

圖11 改進設計中間軸結構

3 結論

本文針對某款變速器中間軸斷裂的問題，從有限元撓度計算、理化檢測及斷口形貌分析、裂紋源對比驗證四個方面進行了原因分析，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果，本文的原因分析和改進設計對于其它變速器設計有很大的參考價值。

[1] 沈鴻.機械工程手冊[M].北京:機械工業出版社.

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

[3] 宋進桂,龔宗洋.汽車變速器理論基礎選擇設計與應用.[M].北京:機械工業出版社.2011.

[4] 成大先.機械設計(第五版)第2卷[S].北京:化學工業出版社.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，工學碩士，主要從事汽車傳動產品設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.031