轎車等速萬向傳動中間軸熱處理工藝強(qiáng)化

●廖金雄

等速萬向傳動軸產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能指標(biāo)最重要的就是靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度特性和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度特性。近年來，越來越多的實(shí)驗(yàn)證明，中間軸扭轉(zhuǎn)靜斷裂和疲勞斷裂成為了等速萬向傳動軸總成的主要失效方式，是由于等速萬向節(jié)材料和加工工藝不斷地完善及革新。

一、承載和失效

作為一輛轎車，它的主要動力傳動部件就是等速萬向傳動軸，典型的高周疲勞累積破壞和典型的城市交通情況成為等速萬向傳動軸的中間軸的失效形式，其等速萬向傳動軸載荷譜如圖1 所示。傳動軸的很大一部分是小于它的疲勞極限的小載荷和位置處于中高周壽命的載荷，另外很小的一小部分是個別的出現(xiàn)大的極限載荷。由此可以證明，轎車中間軸的失效是十分典型的高周疲勞失效，與此同時，為了抵抗緊急情況下的沖擊載荷等一些相關(guān)情況，中間軸有必要對等速萬向傳動軸具備的靜強(qiáng)度儲備進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)。

圖1 典型城市交通下等速萬向傳動軸載荷譜

近年來，市面上涌現(xiàn)的各種格式的等速萬向傳動軸，其中包括三銷軸式傳動軸、交叉槽式傳動軸等等都與非等速萬向節(jié)截然不同，其中不同的地方在于其改進(jìn)的方式、附加彎曲程度記憶傳遞的扭矩成正比等。我們從一些典型的等速萬向傳動軸載荷譜當(dāng)中可以看出來，傳遞扭矩基本上是位于應(yīng)力疲勞區(qū)域或者是中高壽命區(qū)域，（與靜強(qiáng)度相關(guān)的個別大轉(zhuǎn)角大轉(zhuǎn)矩除外），并且我們可以將與其相應(yīng)的更小的附加彎曲忽略不計(jì)。由此，我們要將高周抗扭轉(zhuǎn)疲勞和靜扭轉(zhuǎn)疲勞作為設(shè)計(jì)等速萬向傳動中間軸的主要強(qiáng)度性能指標(biāo)。

二、工藝強(qiáng)化制定原則

實(shí)心等速萬向傳動中間軸和空心等速萬向傳動中間軸是我們現(xiàn)有的兩種形式。當(dāng)軸截面應(yīng)力的分布呈現(xiàn)以下幾個狀態(tài)時，就是中間軸正在承受純轉(zhuǎn)矩的時候：（1）軸截面表面應(yīng)力呈現(xiàn)出最大的狀態(tài)；（2）軸心應(yīng)力為零；（3）靠近軸心的區(qū)域應(yīng)力很低。傳動軸的中間軸空心化使得重量下降，并且能夠使得傳動軸彎曲固有的頻率被提升，NVH 特性也能因此得到有效地改善，以上情況是由于我們可以忽略不計(jì)等速萬向傳動軸中間軸承受的彎矩。

小尺寸、傳遞大轉(zhuǎn)矩等是傳動軸的幾方面特點(diǎn)?，F(xiàn)在，我們根據(jù)一款新能源汽車的等速萬向傳動軸作為例子來開展較全面的分析?，F(xiàn)市面上有一款新能源汽車，它的等速萬向傳動軸的總成中間軸最小的外徑為φ23 毫米，傳動軸最大的傳遞扭矩不低于2600Nm，靜斷裂扭矩在3200Nm~3400Nm 的范圍之內(nèi)，疲勞試驗(yàn)扭矩在大于0，小于1927Nm 的這個范圍內(nèi)，UC2 棒料作為它的原材料，硬度范圍控制在大于195 和小于240 的范圍之間，屈服強(qiáng)度為φ0.2>400MPa、抗拉強(qiáng)度φb為650~800MPa。1088MPa是該中間軸的最大扭矩下危險截面的最大剪應(yīng)力，最大疲勞剪應(yīng)力應(yīng)為806MPa，-1088MPa 為中間軸最小的主應(yīng)力，+1088MPa為中間軸最大的主應(yīng)力。從上述這款燃料電池轎車的等速萬向傳動軸這個例子當(dāng)中我們可以看出，靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求在很大程度上沒有被中間軸的原始材料狀態(tài)所滿足，所以我們必須要采取一定的方式方法以此來提高靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，如工藝強(qiáng)化，進(jìn)而盡可能地滿意中間軸強(qiáng)度性能要求。

此次研究是采用硬度和強(qiáng)度兩者之間的相對應(yīng)的關(guān)系，這是由于中間軸危險截面表面硬度、靜強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度的相關(guān)數(shù)據(jù)很難獲取得到甚至無法直接得到。圖2 是有關(guān)不同深度下應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系。

在表示不同深度下應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系的圖2 中，應(yīng)力和深度之間的關(guān)系曲線會根據(jù)中間軸承受的轉(zhuǎn)矩不同上下線性移動，是因?yàn)閼?yīng)力與中間軸承受的轉(zhuǎn)矩成正比的關(guān)系?？招妮S、實(shí)心、原材料等都不會因?yàn)檩d荷而產(chǎn)生變動；與之不同的是，會隨著疲勞損傷而下降的是在疲勞過程中不同深度下的強(qiáng)度和硬度，直至疲勞不再有效。中間軸的設(shè)計(jì)理念和工藝的強(qiáng)化必須同時滿足以下兩個條件：一是疲勞強(qiáng)度，二是靜強(qiáng)度。

圖2 不同深度下應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系

在有關(guān)疲勞強(qiáng)度的要求方面，需要滿足的是中間軸的強(qiáng)化工藝：在無限壽命設(shè)計(jì)的前提條件下，強(qiáng)化后的中間軸的疲勞極限應(yīng)小于不同深度下的最大動載荷下的應(yīng)力；若前提條件為有限壽命的設(shè)計(jì)，則要在載荷—應(yīng)力曲線、傳動軸的載荷譜或者經(jīng)過工藝的強(qiáng)化后的材料以及一些相關(guān)的理論的基礎(chǔ)之上而開展抗疲勞設(shè)計(jì)——強(qiáng)度與硬度在經(jīng)過工藝的強(qiáng)化下深度的不同；抱著增加中間軸疲勞壽命以及控制中間軸紋裂萌生的區(qū)域的目的，疲勞過程中裂紋的產(chǎn)生從表面轉(zhuǎn)入到次表面，也就是接觸點(diǎn)發(fā)生在次表面是強(qiáng)化工藝必須要做到的一點(diǎn)，其他的剩余部分是通過中間軸的強(qiáng)化工藝的原因從而進(jìn)一步形成殘余壓應(yīng)力①。

有關(guān)靜強(qiáng)度的方面，必須要做到的是滿足中間軸的工藝強(qiáng)化：被承受極限靜載荷的條件下的傳動軸，根據(jù)深度變化曲線的改變，應(yīng)力不高于隨深度變化曲線的強(qiáng)度；僅對于靜強(qiáng)度而言，并非越深的強(qiáng)化層就越好，其中的原因是當(dāng)截面因?yàn)樯疃仍黾佣艿降膽?yīng)力減小時，在表面存在著危險應(yīng)力；實(shí)心軸的心部要通過適度的塑性和韌性來對抗使用過程中受到?jīng)_擊和變形的中間軸，所以實(shí)心軸在大部分情況下不可以全部硬化透；關(guān)于空心軸需要注意的問題是，即使空心軸的內(nèi)表層也能依靠強(qiáng)化來提高它的強(qiáng)度，此時需要注意的地方是，記得預(yù)留適度的空間，這樣做的目的是為了抵抗被沖擊和變形的區(qū)域。

在疲勞過程中，危險截面疲勞強(qiáng)度的計(jì)算公式如下（高周疲勞失效材料和零件的殘余應(yīng)力視為平均應(yīng)力）：

σ-1d=f（-β×σRSd+σbd）

上述公式當(dāng)中: 深度為d 時的疲勞極限為σ-1d是深度為d時的殘余應(yīng)力為σRSd,用殘余拉應(yīng)力取正，殘余壓應(yīng)力取負(fù)；β是殘余應(yīng)力的影響系數(shù)，把它看作為1；疲勞極限和抗拉強(qiáng)度的比值是f，即疲勞比，通常情況下的值是在0.3~0.6 的范圍內(nèi)；σbd 是深度為d 時的抗拉強(qiáng)度。

三、引用案例

現(xiàn)有一款使用等速萬向傳動空心旋鍛軸的汽車，它的傳動軸被允許傳遞的極限轉(zhuǎn)矩是2900Nm。要求有以下說明：40°為固定端角度，滑移端角度的范圍是10°以下，永久變形＜2°時，靜扭矩不小于2560Nm，無斷裂與裂紋、能夠有塑性變形下扭矩是3700Nm，極限斷裂扭矩為4000Nm；疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)有以下的要求：正負(fù)1245Nm 交變扭矩下，試驗(yàn)的頻率為3 赫茲，平均的循環(huán)壽命必須大于30 萬次。旋鍛軸的危險截面外徑為25.6毫米、內(nèi)徑必須大于6 毫米，最大靜裁切應(yīng)力為877MPa 是被允許傳遞的極限扭矩。25CrMo4 鋼管作為原材料，關(guān)于25CrMo4 鋼管的特點(diǎn)是：屈服強(qiáng)度為380~390MPa，斷裂強(qiáng)度為580~600MPa，伸長率需大于或等于26%，心部硬度要滿足179HV~220HV 這個范圍，其目的是滿足表面強(qiáng)度為185HV 的旋鍛工藝要求。當(dāng)危險截面的平均硬度滿足等于243HV 這個條件時，即可達(dá)到測驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

從DIN50150 的強(qiáng)度和硬度的相對應(yīng)關(guān)系可以得出，若危險截面的表面的最大抗拉強(qiáng)度只達(dá)到大約776MPa，那么該質(zhì)量是達(dá)不到所需的標(biāo)準(zhǔn)的②。需要經(jīng)過工藝的強(qiáng)化來提高中間旋鍛軸的硬度以及強(qiáng)度，并且通過工藝的強(qiáng)化之后，中間軸必須要達(dá)到的條件為承受最小抗拉強(qiáng)度不低于2000MPa。有關(guān)于原材料25CrMo4 鋼管需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)是：在由中間軸的整體滲碳淬火之后，心部硬度范圍要滿足等于480HV 的條件，硬化層的標(biāo)準(zhǔn)范圍達(dá)到0.5~1.0 毫米之間，表面硬度的范圍要保證控制在630~780HV 的范圍內(nèi)。

空心旋鍛軸的危險截面在經(jīng)過工藝的典型強(qiáng)化后的硬度沿深度的變化情況如下列圖示，736HV 是表面的最高硬度，抗拉強(qiáng)度為2426MPa，最大剪應(yīng)力（在斷裂的時候）為1213MPa，以上研究的這幾組數(shù)據(jù)符合傳動軸靜斷裂強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。

在強(qiáng)化工藝之后的疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度的結(jié)果從圖4 和圖5中可以得出，強(qiáng)度試驗(yàn)失敗的相關(guān)圖片可以從圖6 中看出。

圖3 硬度沿深度分布圖

圖5 疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

圖6 強(qiáng)度試驗(yàn)失效照片（a）靜強(qiáng)度 （b）疲勞強(qiáng)度

從圖4 可知，破壞扭矩為4220Nm，滿足靜強(qiáng)度所要求的標(biāo)準(zhǔn)（4000Nm），從上面的圖4 中可以得知總成靜扭的失效形式，其中間的部分和固定段的轉(zhuǎn)角約束段是它的失效部位，以上所闡述的有關(guān)結(jié)論與研究設(shè)計(jì)的中間軸理論相匹配。

疲勞的試驗(yàn)結(jié)果從上面圖5 中可以得出，雖然中間軸被工藝強(qiáng)化后仍然還是總成疲勞的失效零件，但在通過強(qiáng)化工藝之后，其完全符合總成的疲勞耐久性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。其相鄰軸段的外徑差相差懸殊和偏大的應(yīng)力集中系數(shù)，致使產(chǎn)生相應(yīng)的疲勞性破壞是軸段危險截面與花鍵的過渡處作為中間軸的失效部位的重要原因③。

此次研究的對象包括了中間軸的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度，通過對以上研究對象的試驗(yàn)，我們可以得出以下的結(jié)論：等速萬向傳動中間軸的強(qiáng)化工藝的設(shè)計(jì)原則和方法的進(jìn)行，在具備高強(qiáng)度的理論的基礎(chǔ)上是說得通的，同時也滿足了等速萬向傳動軸的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語

中間軸的實(shí)心軸或空心軸在汽車進(jìn)行等速萬向傳動熱處理以強(qiáng)化工藝制定的時候，均禁止淬透，要保證心部塑性和韌性的適度，通過此來抵擋使用時等速萬向傳動軸的沖擊和扭轉(zhuǎn)變形；同時，還要注意硬度和靜強(qiáng)度不同時，其分布不能小于其應(yīng)力的分布。

注釋：

①盧曦,廖金雄.毛坯力學(xué)特性對旋鍛軸強(qiáng)度和壽命影響的試驗(yàn)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào),2016,23(03):17- 22

②孟祥偉,李光明,謝磊.汽車等速傳動軸撓性萬向節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]

③王榮濱.汽車傳動軸熱鍛模復(fù)合強(qiáng)化處理的研究[J]