轻型汽车后桥半轴断裂件的组织及断口特征.doc

第一章 绪 论 11 微型车后桥简介后桥位于动力传动系统的末端，是汽车底盘的重要组成部分之一，是影响汽车承载力、运行平稳、动力性等的关键部件。其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩，并将动力合理地分配给左、右驱动轮，另外还承受作用与路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力。驱动桥一般由主减速器、差速器、半轴总成、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。对于研究后驱汽车承载力、运行平稳性、动力性等相关性能后桥力学强度分析相对整车来讲是十分必要的。一段时间以来我公司货车后桥半轴出现在后桥装配到整车后，试车时发生后桥半轴断裂的情况。后桥半轴为汽车后桥的关键重要部件特为此半轴断裂件做全面的分析研究以确定发生断裂的原因，确保以后杜绝此类现象的发生。12后桥半轴等部件设计的要求及力学分析的必要性后桥总成设计应满足如下基本要求：1） 所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。2） 外型尺寸及质量要小，但要保证必要的离地间隙。3） 齿轮及其他传动件工作平稳、噪声小。 4） 在各种转速和载荷下具有高的传动效率。5） 在保证足够的强度、刚度条件下，尽量质量小，尤其是簧下质量小，以改善汽车平顺性。6） 与悬架导向机构运动协调。7） 使用寿命要长，结构简单，结构性能应满足使用要求，制造方便，维修容易等。8） 必须符合汽车行业相应标准和法规要求。为了适应激烈的市场竞争，满足用户需求，企业需要开发出高品质、低价位的新产品汽车，后桥作为后驱车的一个关键部件，其质量对整车的安全性能有重要的影响。微型车桥壳采用整体式，钢板冲压式焊接结构，主减速器采用准双曲面锥齿轮，采用单级减速、主动齿轮采用悬臂式支承，半轴采用半浮式结构。因而对其相关主要部件进行有效的力学优化分析与设计是非常必要的。第二章 后桥半轴结构特点 从差速器传出来的扭矩经过半轴轮毂最后传给车轮，所以半轴在传动系中是传递扭矩的重要零件。半轴因受力情况不同分为全浮式、半浮式、3/4浮式。全浮式半轴只传递扭矩，因此只承受扭矩，而由车轮传来的垂直力、侧向力、纵向力均有桥壳承受。它的轮毂采用较复杂的结构。半浮式半轴除传递扭矩外还要承受垂直力、横向力及纵向力。因此半浮式受载较大，但结构简单成本可降低。用于轿车或轻型车辆。3/4浮式半轴除承受扭矩外，还承受侧向力所产生的弯矩。纵向力和垂直力均有桥壳承受。但如果车轮的中心与装在桥壳上的轴承中心不重合而由一段距离时则垂直力、纵向力就会对轴承中心处产生弯矩。这个弯矩仍然有半轴承受，然而这个弯矩比半浮式半轴承受的垂直力和纵向力产生的弯矩要小得多。3/4浮式半轴仍然用于轿车和轻型车辆上。 对于我们的微型汽车用于载重量很小传递扭矩也很小。所以在合理的半轴结构情况下，采用半浮式是能够承受得了上述各种载荷的。从另一种观点来看，半浮式结构简单适合于微型车辆。因为微型汽车重要的是采用结构紧凑和小尺寸。如果结构不紧凑会使尺寸加大。结构简单能够保证紧凑。因而汽车采用了半浮式半轴是比较合理的，如图1所示。图1第三章 后桥半轴的力学分析3.1新型1.8T货车后桥半轴力学强度分析所用微型车的参数如下：整车设计参数（具体参数见附录）空载满载总质量（kg）11701800轮距：前/后（mm）1430/14251430/1425轴荷1170kg1800kg重心高度540mm651mm最大速度（km/h）145轴距（mm）2620车轮滚动半径（mm）273装用DA465Q系列和DA465Q-1A系列发动机,最大功率为38.5KW/5200rpm,最大扭矩为83N mm/3000-3500rpm。装配五档变速箱，五档状态1档到5档的速比分别为：3.652，1.948,1.424,1.000,0.795,3.446。 后桥图纸和数模,两钢板弹簧中心距离为900 mm，轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离为50mm（195/65 R15），或者轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离为45mm（185/80 R14），车轮滚动半径273mm。1） 后桥主减速比为4.778（43：9）2） 基本型为带ABS状态,有不带ABS的改装状态。 后桥图纸和数模,轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离为35mm，车轮滚动半径273mm。 质心高度为满载651mm、空载540 mm,满载时质心到前后轮心X向距离分别为1395.9 mm和974.5 mm,前、后轮距分别1200 mm，整车满载轴荷为1800，前后轴荷分配为：810 kg /990 kg，轴距为2620 mm，两钢板弹簧中心距离为900mm，后桥单边轮胎和制动器重量为239N。3.2后桥半轴的受力情况分析因为后桥采用半浮式半轴,它的结构特点是半轴外端支承轴承位于半轴套管外端的内孔,车轮装在半轴上.半浮式半轴除传递转矩外,其外端还承受由路面对车轮的反力所引起的全部力和力矩。半浮式半轴结构简单，但所承受载荷较大，只能用于轿车和轻型货车及轻型客车上。由于采用半浮式，所以半轴零件在与车轮连接处和滚动轴承之间承受了各个方向（垂直、纵向、横向）力的力矩（弯矩）同时还承受着扭矩，所以在这段轴的轴颈要比其他位置尺寸要大（见图2）。受弯矩最大的截面要算是轴承处，但应力集中的地方是靠在轴承端面的轴台肩处，因此用R2.5的圆角予以过度。而在与轮毂相连接处的凸缘及45圆柱之间用R20圆滑过渡，以防应力集中。为了使轴承内环端面不与轴台肩圆弧R2.5相干扰而用一个挡圈来顶住轴承的端部在轴承的另一端是用一个挡圈挡住轴承，这个挡圈与轴的配合为过盈配合，经计算这种配合完全能够平衡由于侧滑而引起的侧向力，不致使半轴被抽出去。轴的头部直径很大，另一端花键处到轴承安装处直径相对很小，如果采用整体锻造在头部镦出124直径是很困难的成本也较高。所以采用摩擦对焊的工艺对截面选在弯曲力矩很小的地方。另外在图2所示的区域进行中频表面淬火，表面硬度HRC50-60心部硬度HRC25-32，这样可以提高疲劳强度。半轴材料采用45号钢。 结构特点和受力特点决定了，在较核时，应考虑如下三种情况时的载荷工况：1） 车轮所受的纵向力FX2（驱动力和制动力）最大，侧向力为零，此时垂直力为：FZ2=m2G2/2-gw=6067.3N此时纵向力应按最大附着力计算：FX2= m2G2/2=6595.93(N)其中m2 -汽车加速、减速时的质量转移系数 m2=1.3 -附着系数 =0.8 gw-一侧车轮（包括轮毂、制动器等）本身对地面的垂直载荷gw=239N对于驱动车轮来说，当按发动机最大转矩Temax和传动系最低档传动比计算所得的纵向力小于由最大附着力时。则应按下式计算，即2864.61N因为2864.616595.93,所以纵向力应按2864.61进行计算:左右半轴所承受的合成弯矩为： 234.83(Nm)转矩为：=782.04 (Nm)此时半轴35mm处弯曲应力和扭转切应力为:=55.82 Mpaa -轴承中心到轮心的偏置距 a=35mm所以符合设计要求2）侧向力Fy2最大, 纵向力FX2=0,此时意外发生侧滑，所以半轴只受弯矩，在侧向力的作用下左、右轮所承受的垂向力和侧向力各不相同,外轮上的垂直外力FZ2L和内轮上的垂直外力FZ2R分别为：（假设向右侧滑，左轮为外轮）9875.34(N)-651.34(N) 外轮上的侧向力FZ2L和内轮上的侧向力FZ2R分别为：（假设向右侧滑，左轮为外轮）10114.34(N)-412.33(N)则合成弯矩为：=2415.58N.m=135.36(Nm)其中hg=651mm,汽车满载质心高度B2=1200 mm,后轮距=1.0,侧滑附着系数3)汽车通过不平路面,垂向力最大，没有纵向力和侧向力作用，所以半轴只受垂向弯矩：垂向力Fz2最大,纵向力FX2=0,侧向力Fy2=0:此时垂直力最大值Fz2为:Fz2L= Fz2R = K (G2/2-gw)= 8071(N)其中K为动载系数K=1.8,而= 282.49(Nm)4)半轴的静强度计算半轴35mm处弯曲最大弯曲扭转应力、为:=534.17 Mpa750 Mpa=92.94MPa490 MPa所以满足设计要求d-半轴杆部直径35mm5)半轴花键在承受最大转矩时其花键的剪切应力和挤压应力:半轴花键剪切应力:S=34.94Mpa71.05 Mpa半轴花键挤压应力:=87.81 Mpa196 Mpa其中：T-半轴承受的最大转矩T=782.04(Nm)DB-半轴花键（轴）外径dA-相配的花键（孔）内径Z-花键齿数Lp-花键工作长度b-花键齿宽- 载荷分布的不均匀系数，计算时取0.756)半轴的最大扭转角:=2.31/m8/mT-半轴承受的最大转矩,取上述三种情况最大值T= 782.04 (Nm)l-半轴长度615mmG-材料的弹性模量81J-半轴横截面的极惯性距,J=7)半浮式半轴弯曲应力w及合成应力为:=534.17 Mpa588 Mpa=566.1 Mpa588 Mpa-半轴承受的合成弯矩d-半轴危险断面的直径-半轴的扭转应力所以,半轴符合设计要求第四章 后桥半轴断裂分析4.1前言采用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段，对微型汽车后桥半轴断裂件的组织及断口特征进行了分析结果表明:半轴在调质处理时的淬火温度不够高，使其表层和心部组织中存在较多的铁素体组，造成了工件最终的硬度和疲劳强度不足，导致半轴在使用中发生扭转疲劳断裂。微型汽车45#后桥半轴的制造工艺流程为：下料锻造摩擦焊接粗加工调质粗加工中频淬火余温回火精加工。其中热处理技术要求为：调质处理硬度26-32HRC，中频感应加热淬火，（1）淬硬层深度2.5-4.5mm；（2）花键部分表面硬度不低于38HRC；（3）杆部及键槽部分表面硬度不低于46HRC；（4）淬硬层金相组织符合Q/2A-CJ-340-2000松花江牌微型系列汽车半轴热处理技术条件。该半轴按照工艺规范生产并检验合格后装车，在试车过程中发生断裂，对断裂件的原材料成分进行了光谱分析，其结果符合有关技术标准，为弄清楚该半轴早期断裂的原因，本文对其硬度、显微组织、宏观及微观端口进行了研究。4.2试验方法首先记录并分析断口宏观形貌，然后用酒精等将端口表面清洗干净，用扫描电子显微镜做断口微观形貌分析，用光学显微镜对半轴表层和心部显微组织进行研究，同时测定了其硬度。试验结果4.2.1断口宏观分析 断裂的后桥半轴如图1所示，断裂部位有两处。一处位于花键与杆部的连接处，此处已完全断裂，断面显示被撞击和研磨的痕迹。另一处位于距花键端部约30mm处，可见轴的外周已断裂，深度约4mm，断面呈“锯齿状”，如图1.2所示，根据文献1,这种断面形貌特征，属于典型的扭转疲劳断口特征。4.2.2硬度检测 在距花键端部20mm的横截面上，由表面到心部依次逐点检测其洛式硬度，个点之间间隔为2mm，所得硬度依次为33.5HRC、24HRC、20HRC、19HRC、18.5HRC。对照该工件的热处理技术要求，可知该工件热处理后从表面到心部的硬度值均比所要求的值偏低。4.2.3金相组织分析半轴心部金相组织如图3所示，有图3可见，心部组织为回火索氏体加铁素体，其铁素体的量较大，它们沿晶界分布或呈块状。半轴表层金相组织如图4所示。有图4a、b可见，表层组织为马氏体加铁素体，其中还有铁素体沿后桥半轴表层呈条状纵向分布。4.2.4断口微观形貌分析图5为扫描电子显微镜拍摄的后桥半轴断口的形貌，从图5a、b中可见从花键根部开始的贝纹状条纹。这些贝纹状条纹形貌表明，疲劳裂纹是在花键根部的表层萌生，并在周期性应力作用下向轴心方向扩展，对断口不同部位用扫描电子显微镜分析，发现各处微观形貌是韧窝状，如图5c所示，这是疲劳断裂的微观特征之一。由此进一步证实了该后桥半轴早期失效的性质是疲劳断裂。4.3分析与讨论汽车后桥半轴工作时承受冲击、反复弯曲和扭转应力的作用，要求有足够高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。从试验结果可知，在断裂的后桥半轴表层淬火组织和心部调质组织中存在着较多的铁素体相，它们降低了材料的硬度，从而严重削弱了材料的疲劳强度。这导致半轴在周期性应力的作用下，在应力集中的尖角处首先萌生疲劳裂纹，随后发生疲劳断裂。断裂的后桥半轴表层淬火组织和心部调质组织中存在的铁素体，属于非正常组织。从铁素体的数量、分布及形状可以判断，这是由于后桥半轴调质处理时淬火加热温度不够高所致。由于后桥半轴被加热时没有达到正确的工艺温度，致使原始锻造组织中的部分铁素体未转变成奥氏体，而一直保留到提供使用的组织中。4.4结论45#汽车后桥半轴中存在较多的铁素体是造成半轴疲劳断裂的原因。应该在生产中找出造成调质淬火工艺温度不正确的原因，并予以改正，使后桥半轴的调质组织和硬度符合技术要求。第五章 结 束 语上面对后桥的半轴部件进行了力学分析和研究。公司的领导、工程技术人员和广大车间员工眼睛向内、不等不靠，发挥潜力、克服困难，在汽车设计所和工程处等有关部门的帮助下，完成了对微型车后桥的力学理论分析和基本的道路实验，也为未来与计算机结合设计分析生产后桥打下了坚实的基础。实践证明，在经济飞速发展汽车技术日新月异的今天，后桥的设计开发必须紧紧依托于生产这一现实，只有紧密结合了生产并掌握了最新的技术，才能创造出最好的产品，创造出适