輕型汽車(chē)后橋半軸斷裂件的組織及斷口特征#參考資料

1、第一章 緒 論 11 微型車(chē)后橋簡(jiǎn)介后橋位于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的末端，是汽車(chē)底盤(pán)的重要組成部分之一，是影響汽車(chē)承載力、運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)力性等的關(guān)鍵部件。其基本功能是增大由傳動(dòng)軸或變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并將動(dòng)力合理地分配給左、右驅(qū)動(dòng)輪，另外還承受作用與路面和車(chē)架或車(chē)身之間的垂直力、縱向力和橫向力。驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器、差速器、半軸總成、車(chē)輪傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)橋殼等組成。對(duì)于研究后驅(qū)汽車(chē)承載力、運(yùn)行平穩(wěn)性、動(dòng)力性等相關(guān)性能后橋力學(xué)強(qiáng)度分析相對(duì)整車(chē)來(lái)講是十分必要的。一段時(shí)間以來(lái)我公司貨車(chē)后橋半軸出現(xiàn)在后橋裝配到整車(chē)后，試車(chē)時(shí)發(fā)生后橋半軸斷裂的情況。后橋半軸為汽車(chē)后橋的關(guān)鍵重要部件特為此半軸斷裂件做全面的分析研究以確定

2、發(fā)生斷裂的原因，確保以后杜絕此類現(xiàn)象的發(fā)生。12后橋半軸等部件設(shè)計(jì)的要求及力學(xué)分析的必要性后橋總成設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下基本要求：1） 所選擇的主減速比應(yīng)能保證汽車(chē)具有最佳的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。2） 外型尺寸及質(zhì)量要小，但要保證必要的離地間隙。3） 齒輪及其他傳動(dòng)件工作平穩(wěn)、噪聲小。 4） 在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動(dòng)效率。5） 在保證足夠的強(qiáng)度、剛度條件下，盡量質(zhì)量小，尤其是簧下質(zhì)量小，以改善汽車(chē)平順性。6） 與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。7） 使用壽命要長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)性能應(yīng)滿足使用要求，制造方便，維修容易等。8） 必須符合汽車(chē)行業(yè)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求。為了適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，滿足用戶需求，企業(yè)需要開(kāi)

3、發(fā)出高品質(zhì)、低價(jià)位的新產(chǎn)品汽車(chē)，后橋作為后驅(qū)車(chē)的一個(gè)關(guān)鍵部件，其質(zhì)量對(duì)整車(chē)的安全性能有重要的影響。微型車(chē)橋殼采用整體式，鋼板沖壓式焊接結(jié)構(gòu)，主減速器采用準(zhǔn)雙曲面錐齒輪，采用單級(jí)減速、主動(dòng)齒輪采用懸臂式支承，半軸采用半浮式結(jié)構(gòu)。因而對(duì)其相關(guān)主要部件進(jìn)行有效的力學(xué)優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)是非常必要的。第二章 后橋半軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 從差速器傳出來(lái)的扭矩經(jīng)過(guò)半軸輪轂最后傳給車(chē)輪，所以半軸在傳動(dòng)系中是傳遞扭矩的重要零件。半軸因受力情況不同分為全浮式、半浮式、3/4浮式。全浮式半軸只傳遞扭矩，因此只承受扭矩，而由車(chē)輪傳來(lái)的垂直力、側(cè)向力、縱向力均有橋殼承受。它的輪轂采用較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。半浮式半軸除傳遞扭矩外還要承受垂直力

4、、橫向力及縱向力。因此半浮式受載較大，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本可降低。用于轎車(chē)或輕型車(chē)輛。3/4浮式半軸除承受扭矩外，還承受側(cè)向力所產(chǎn)生的彎矩?？v向力和垂直力均有橋殼承受。但如果車(chē)輪的中心與裝在橋殼上的軸承中心不重合而由一段距離時(shí)則垂直力、縱向力就會(huì)對(duì)軸承中心處產(chǎn)生彎矩。這個(gè)彎矩仍然有半軸承受，然而這個(gè)彎矩比半浮式半軸承受的垂直力和縱向力產(chǎn)生的彎矩要小得多。3/4浮式半軸仍然用于轎車(chē)和輕型車(chē)輛上。 對(duì)于我們的微型汽車(chē)用于載重量很小傳遞扭矩也很小。所以在合理的半軸結(jié)構(gòu)情況下，采用半浮式是能夠承受得了上述各種載荷的。從另一種觀點(diǎn)來(lái)看，半浮式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適合于微型車(chē)輛。因?yàn)槲⑿推?chē)重要的是采用結(jié)構(gòu)緊湊和小尺寸。如

5、果結(jié)構(gòu)不緊湊會(huì)使尺寸加大。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單能夠保證緊湊。因而汽車(chē)采用了半浮式半軸是比較合理的，如圖1所示。圖1第三章 后橋半軸的力學(xué)分析3.1新型1.8T貨車(chē)后橋半軸力學(xué)強(qiáng)度分析所用微型車(chē)的參數(shù)如下：整車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)（具體參數(shù)見(jiàn)附錄）空載滿載總質(zhì)量（kg）11701800輪距：前/后（mm）1430/14251430/1425軸荷1170kg1800kg重心高度540mm651mm最大速度（km/h）145軸距（mm）2620車(chē)輪滾動(dòng)半徑（mm）273裝用DA465Q系列和DA465Q-1A系列發(fā)動(dòng)機(jī),最大功率為38.5KW/5200rpm,最大扭矩為83N mm/3000-3500rpm。裝配五檔變速箱

6、，五檔狀態(tài)1檔到5檔的速比分別為：3.652，1.948,1.424,1.000,0.795,3.446。 后橋圖紙和數(shù)模,兩鋼板彈簧中心距離為900 mm，輪轂支承軸承到車(chē)輪中心平面之間的距離為50mm（195/65 R15），或者輪轂支承軸承到車(chē)輪中心平面之間的距離為45mm（185/80 R14），車(chē)輪滾動(dòng)半徑273mm。1） 后橋主減速比為4.778（43：9）2） 基本型為帶ABS狀態(tài),有不帶ABS的改裝狀態(tài)。 后橋圖紙和數(shù)模,輪轂支承軸承到車(chē)輪中心平面之間的距離為35mm，車(chē)輪滾動(dòng)半徑273mm。 質(zhì)心高度為滿載651mm、空載540 mm,滿載時(shí)質(zhì)心到前后輪心X向距離分別為139

7、5.9 mm和974.5 mm,前、后輪距分別1200 mm，整車(chē)滿載軸荷為1800，前后軸荷分配為：810 kg /990 kg，軸距為2620 mm，兩鋼板彈簧中心距離為900mm，后橋單邊輪胎和制動(dòng)器重量為239N。3.2后橋半軸的受力情況分析因?yàn)楹髽虿捎冒敫∈桨胼S,它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是半軸外端支承軸承位于半軸套管外端的內(nèi)孔,車(chē)輪裝在半軸上.半浮式半軸除傳遞轉(zhuǎn)矩外,其外端還承受由路面對(duì)車(chē)輪的反力所引起的全部力和力矩。半浮式半軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但所承受載荷較大，只能用于轎車(chē)和輕型貨車(chē)及輕型客車(chē)上。由于采用半浮式，所以半軸零件在與車(chē)輪連接處和滾動(dòng)軸承之間承受了各個(gè)方向（垂直、縱向、橫向）力的力矩（彎矩）

8、同時(shí)還承受著扭矩，所以在這段軸的軸頸要比其他位置尺寸要大（見(jiàn)圖2）。受彎矩最大的截面要算是軸承處，但應(yīng)力集中的地方是靠在軸承端面的軸臺(tái)肩處，因此用R2.5的圓角予以過(guò)度。而在與輪轂相連接處的凸緣及45圓柱之間用R20圓滑過(guò)渡，以防應(yīng)力集中。為了使軸承內(nèi)環(huán)端面不與軸臺(tái)肩圓弧R2.5相干擾而用一個(gè)擋圈來(lái)頂住軸承的端部在軸承的另一端是用一個(gè)擋圈擋住軸承，這個(gè)擋圈與軸的配合為過(guò)盈配合，經(jīng)計(jì)算這種配合完全能夠平衡由于側(cè)滑而引起的側(cè)向力，不致使半軸被抽出去。軸的頭部直徑很大，另一端花鍵處到軸承安裝處直徑相對(duì)很小，如果采用整體鍛造在頭部鐓出124直徑是很困難的成本也較高。所以采用摩擦對(duì)焊的工藝對(duì)截面選在彎曲

9、力矩很小的地方。另外在圖2所示的區(qū)域進(jìn)行中頻表面淬火，表面硬度HRC50-60心部硬度HRC25-32，這樣可以提高疲勞強(qiáng)度。半軸材料采用45號(hào)鋼。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)決定了，在較核時(shí)，應(yīng)考慮如下三種情況時(shí)的載荷工況：1） 車(chē)輪所受的縱向力FX2（驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力）最大，側(cè)向力為零，此時(shí)垂直力為：FZ2=m2G2/2-gw=6067.3N此時(shí)縱向力應(yīng)按最大附著力計(jì)算：FX2= m2G2/2=6595.93(N)其中m2 -汽車(chē)加速、減速時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù) m2=1.3 -附著系數(shù) =0.8 gw-一側(cè)車(chē)輪（包括輪轂、制動(dòng)器等）本身對(duì)地面的垂直載荷gw=239N對(duì)于驅(qū)動(dòng)車(chē)輪來(lái)說(shuō)，當(dāng)按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T

10、emax和傳動(dòng)系最低檔傳動(dòng)比計(jì)算所得的縱向力小于由最大附著力時(shí)。則應(yīng)按下式計(jì)算，即2864.61N因?yàn)?864.616595.93,所以縱向力應(yīng)按2864.61進(jìn)行計(jì)算:左右半軸所承受的合成彎矩為： 234.83(Nm)轉(zhuǎn)矩為：=782.04 (Nm)此時(shí)半軸35mm處彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為:=55.82 Mpaa -軸承中心到輪心的偏置距 a=35mm所以符合設(shè)計(jì)要求2）側(cè)向力Fy2最大, 縱向力FX2=0,此時(shí)意外發(fā)生側(cè)滑，所以半軸只受彎矩，在側(cè)向力的作用下左、右輪所承受的垂向力和側(cè)向力各不相同,外輪上的垂直外力FZ2L和內(nèi)輪上的垂直外力FZ2R分別為：（假設(shè)向右側(cè)滑，左輪為外輪）9875

11、.34(N)-651.34(N) 外輪上的側(cè)向力FZ2L和內(nèi)輪上的側(cè)向力FZ2R分別為：（假設(shè)向右側(cè)滑，左輪為外輪）10114.34(N)-412.33(N)則合成彎矩為：=2415.58N.m=135.36(Nm)其中hg=651mm,汽車(chē)滿載質(zhì)心高度B2=1200 mm,后輪距=1.0,側(cè)滑附著系數(shù)3)汽車(chē)通過(guò)不平路面,垂向力最大，沒(méi)有縱向力和側(cè)向力作用，所以半軸只受垂向彎矩：垂向力Fz2最大,縱向力FX2=0,側(cè)向力Fy2=0:此時(shí)垂直力最大值Fz2為:Fz2L= Fz2R = K (G2/2-gw)= 8071(N)其中K為動(dòng)載系數(shù)K=1.8,而= 282.49(Nm)4)半軸的靜強(qiáng)度

12、計(jì)算半軸35mm處彎曲最大彎曲扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、為:=534.17 Mpa750 Mpa=92.94MPa490 MPa所以滿足設(shè)計(jì)要求d-半軸桿部直徑35mm5)半軸花鍵在承受最大轉(zhuǎn)矩時(shí)其花鍵的剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力:半軸花鍵剪切應(yīng)力:S=34.94Mpa71.05 Mpa半軸花鍵擠壓應(yīng)力:=87.81 Mpa196 Mpa其中：T-半軸承受的最大轉(zhuǎn)矩T=782.04(Nm)DB-半軸花鍵（軸）外徑dA-相配的花鍵（孔）內(nèi)徑Z-花鍵齒數(shù)Lp-花鍵工作長(zhǎng)度b-花鍵齒寬- 載荷分布的不均勻系數(shù)，計(jì)算時(shí)取0.756)半軸的最大扭轉(zhuǎn)角:=2.31/m8/mT-半軸承受的最大轉(zhuǎn)矩,取上述三種情況最大值T= 782

13、.04 (Nm)l-半軸長(zhǎng)度615mmG-材料的彈性模量81J-半軸橫截面的極慣性距,J=7)半浮式半軸彎曲應(yīng)力w及合成應(yīng)力為:=534.17 Mpa588 Mpa=566.1 Mpa588 Mpa-半軸承受的合成彎矩d-半軸危險(xiǎn)斷面的直徑-半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力所以,半軸符合設(shè)計(jì)要求第四章 后橋半軸斷裂分析4.1前言采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡等手段，對(duì)微型汽車(chē)后橋半軸斷裂件的組織及斷口特征進(jìn)行了分析結(jié)果表明:半軸在調(diào)質(zhì)處理時(shí)的淬火溫度不夠高，使其表層和心部組織中存在較多的鐵素體組，造成了工件最終的硬度和疲勞強(qiáng)度不足，導(dǎo)致半軸在使用中發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。微型汽車(chē)45#后橋半軸的制造工藝流程為：下料鍛

14、造摩擦焊接粗加工調(diào)質(zhì)粗加工中頻淬火余溫回火精加工。其中熱處理技術(shù)要求為：調(diào)質(zhì)處理硬度26-32HRC，中頻感應(yīng)加熱淬火，（1）淬硬層深度2.5-4.5mm；（2）花鍵部分表面硬度不低于38HRC；（3）桿部及鍵槽部分表面硬度不低于46HRC；（4）淬硬層金相組織符合Q/2A-CJ-340-2000松花江牌微型系列汽車(chē)半軸熱處理技術(shù)條件。該半軸按照工藝規(guī)范生產(chǎn)并檢驗(yàn)合格后裝車(chē)，在試車(chē)過(guò)程中發(fā)生斷裂，對(duì)斷裂件的原材料成分進(jìn)行了光譜分析，其結(jié)果符合有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為弄清楚該半軸早期斷裂的原因，本文對(duì)其硬度、顯微組織、宏觀及微觀端口進(jìn)行了研究。4.2試驗(yàn)方法首先記錄并分析斷口宏觀形貌，然后用酒精等將端口

15、表面清洗干凈，用掃描電子顯微鏡做斷口微觀形貌分析，用光學(xué)顯微鏡對(duì)半軸表層和心部顯微組織進(jìn)行研究，同時(shí)測(cè)定了其硬度。試驗(yàn)結(jié)果4.2.1斷口宏觀分析 斷裂的后橋半軸如圖1所示，斷裂部位有兩處。一處位于花鍵與桿部的連接處，此處已完全斷裂，斷面顯示被撞擊和研磨的痕跡。另一處位于距花鍵端部約30mm處，可見(jiàn)軸的外周已斷裂，深度約4mm，斷面呈“鋸齒狀”，如圖1.2所示，根據(jù)文獻(xiàn)1,這種斷面形貌特征，屬于典型的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口特征。4.2.2硬度檢測(cè) 在距花鍵端部20mm的橫截面上，由表面到心部依次逐點(diǎn)檢測(cè)其洛式硬度，個(gè)點(diǎn)之間間隔為2mm，所得硬度依次為33.5HRC、24HRC、20HRC、19HRC、18

16、.5HRC。對(duì)照該工件的熱處理技術(shù)要求，可知該工件熱處理后從表面到心部的硬度值均比所要求的值偏低。4.2.3金相組織分析半軸心部金相組織如圖3所示，有圖3可見(jiàn)，心部組織為回火索氏體加鐵素體，其鐵素體的量較大，它們沿晶界分布或呈塊狀。半軸表層金相組織如圖4所示。有圖4a、b可見(jiàn)，表層組織為馬氏體加鐵素體，其中還有鐵素體沿后橋半軸表層呈條狀縱向分布。4.2.4斷口微觀形貌分析圖5為掃描電子顯微鏡拍攝的后橋半軸斷口的形貌，從圖5a、b中可見(jiàn)從花鍵根部開(kāi)始的貝紋狀條紋。這些貝紋狀條紋形貌表明，疲勞裂紋是在花鍵根部的表層萌生，并在周期性應(yīng)力作用下向軸心方向擴(kuò)展，對(duì)斷口不同部位用掃描電子顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)各

17、處微觀形貌是韌窩狀，如圖5c所示，這是疲勞斷裂的微觀特征之一。由此進(jìn)一步證實(shí)了該后橋半軸早期失效的性質(zhì)是疲勞斷裂。4.3分析與討論汽車(chē)后橋半軸工作時(shí)承受沖擊、反復(fù)彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，要求有足夠高的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和較好的韌性。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在斷裂的后橋半軸表層淬火組織和心部調(diào)質(zhì)組織中存在著較多的鐵素體相，它們降低了材料的硬度，從而嚴(yán)重削弱了材料的疲勞強(qiáng)度。這導(dǎo)致半軸在周期性應(yīng)力的作用下，在應(yīng)力集中的尖角處首先萌生疲勞裂紋，隨后發(fā)生疲勞斷裂。斷裂的后橋半軸表層淬火組織和心部調(diào)質(zhì)組織中存在的鐵素體，屬于非正常組織。從鐵素體的數(shù)量、分布及形狀可以判斷，這是由于后橋半軸調(diào)質(zhì)處理時(shí)淬火加熱溫度不夠

18、高所致。由于后橋半軸被加熱時(shí)沒(méi)有達(dá)到正確的工藝溫度，致使原始鍛造組織中的部分鐵素體未轉(zhuǎn)變成奧氏體，而一直保留到提供使用的組織中。4.4結(jié)論45#汽車(chē)后橋半軸中存在較多的鐵素體是造成半軸疲勞斷裂的原因。應(yīng)該在生產(chǎn)中找出造成調(diào)質(zhì)淬火工藝溫度不正確的原因，并予以改正，使后橋半軸的調(diào)質(zhì)組織和硬度符合技術(shù)要求。第五章 結(jié) 束 語(yǔ)上面對(duì)后橋的半軸部件進(jìn)行了力學(xué)分析和研究。公司的領(lǐng)導(dǎo)、工程技術(shù)人員和廣大車(chē)間員工眼睛向內(nèi)、不等不靠，發(fā)揮潛力、克服困難，在汽車(chē)設(shè)計(jì)所和工程處等有關(guān)部門(mén)的幫助下，完成了對(duì)微型車(chē)后橋的力學(xué)理論分析和基本的道路實(shí)驗(yàn)，也為未來(lái)與計(jì)算機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)分析生產(chǎn)后橋打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展汽車(chē)技術(shù)日新月異的今天，后橋的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)必須緊緊依托于生產(chǎn)這一現(xiàn)實(shí)，只有緊密結(jié)合了生產(chǎn)并掌握了最新的技術(shù)，才能創(chuàng)造出最好的產(chǎn)品，創(chuàng)造出適應(yīng)市場(chǎng)需