等速球頭三叉節(jié)設(shè)計改進及性能提高

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三球銷式等速萬向節(jié)是車用等速萬向節(jié)總成中的一種，常用于等速驅(qū)動軸的內(nèi)側(cè)，與差速器、減速器或變速器連接，用來傳遞轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)向角度的變化。這種萬向節(jié)在功能上既要滿足轉(zhuǎn)向角度的變化，又要滿足車輪轉(zhuǎn)向時能夠達到最大角度，因此大擺角球頭三叉節(jié)的應(yīng)用逐漸引入。受大擺角的影響，球頭三叉節(jié)強度提升尤為重要。本文在對球頭三叉節(jié)失效分析的基礎(chǔ)上進行受力及仿真優(yōu)化設(shè)計，提高其性能。

發(fā)現(xiàn)問題

某主機廠對某車型在上線前進行極限工況壽命測試時，發(fā)現(xiàn)車身抖動并伴隨著動力轉(zhuǎn)矩傳遞衰減，發(fā)生早期失效。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，等速驅(qū)動軸總成內(nèi)球籠發(fā)生失效，拆解后確認是內(nèi)球籠的球頭三叉節(jié)開裂失效。開裂的位置在球頭三叉節(jié)其中一軸頸根部圓弧處，三個球徑表面沒有出現(xiàn)明顯失效，如圖1所示。主機客戶退回的試驗件只有球頭三叉節(jié)，沒有提供滾針、球環(huán)、滾針擋圈及三柱槽殼等零件實際情況，致使各個連接部位的狀態(tài)及信息難以獲得，無形中加大了失效分析難度。

對該球頭三叉節(jié)失效進行分析：

圖1 球頭三叉節(jié)開裂

1）對工況進行分析。此為極限工況下的強度測試，該款球頭三叉節(jié)的使用工作扭矩要求提升了12%，但球頭三叉節(jié)的節(jié)型未相應(yīng)提升，存在潛在扭轉(zhuǎn)疲勞、壽命不足的風(fēng)險。

2）對球頭三叉節(jié)關(guān)鍵尺寸軸頸直徑和軸頸根部R復(fù)核，符合產(chǎn)品工程圖樣技術(shù)要求?；ㄦI孔尺寸因零件損壞而無法檢測復(fù)核，經(jīng)查同批次零件花鍵，質(zhì)量符合產(chǎn)品工程圖樣技術(shù)要求。

3）球頭三叉節(jié)失效件三個軸頸表面均存在磨痕，但沒有出現(xiàn)明顯磨損失效現(xiàn)象（見圖2）。

圖2 失效球頭三叉節(jié)三個軸頸表面均存在磨痕

4）采用掃描電鏡分析，端口斷裂源在三叉節(jié)軸頸根部圓弧處，從根部圓弧R處往內(nèi)擴散（見圖3）。

圖3 端口斷裂源

5）顯微組織。對失效件進行金相制樣，硝酸酒精溶液進行腐蝕，再使用金相顯微鏡放大至500×檢查。發(fā)現(xiàn)球頭三叉節(jié)軸頸表面組織為回火針狀馬氏體5級，殘余奧氏體15%和少量碳化物1級組成（見圖4a）；軸頸根部斷裂處金相組織為回火針狀馬氏體5級（見圖4b），殘余奧氏體15%和少量碳化物1級組成；心部組織為低碳馬氏體及鐵素體（見圖4c）；表面硬化層為0.96mm，表面硬度59HRC，心部硬度為385HV，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷或不正常的特征。球頭三叉節(jié)的材質(zhì)均符合工程圖樣技術(shù)要求。

設(shè)計改進

圖4 失效件顯微組織

汽車動力從變速器輸出，傳遞到等速驅(qū)動軸的移動端萬向節(jié)，通過中間軸剛性連接傳遞到固定端萬向節(jié)輸出至車輪，從而驅(qū)動汽車行駛。應(yīng)用仿真技術(shù)，對球頭三叉節(jié)進行受力及仿真分析，對改進前的球頭三叉節(jié)結(jié)構(gòu)強度，按屈服扭矩進行加載。從應(yīng)力分布云圖上可以看出，該零件薄弱區(qū)域位于球頭三叉節(jié)軸頸根部，與實際失效部位一致，最大等效綜合應(yīng)力為836MPa，如圖5所示。

通過對球頭三叉節(jié)的失效分析及受力仿真分析后，進行零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進。

1.改進方案一

球頭三叉節(jié)的軸頸加強結(jié)構(gòu)強度適當(dāng)優(yōu)化方案，如圖6所示。經(jīng)對軸頸橢圓長軸L1、短軸L2、軸頸根部圓角R優(yōu)化分析，球頭三叉節(jié)模型加載載荷時的薄弱區(qū)域同樣位于球頭三叉節(jié)軸頸根部，最大等效綜合應(yīng)力為687MPa。與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，三叉節(jié)最大等效綜合應(yīng)力降低149MPa；質(zhì)量增加1.1%（＜3%），因此可忽略不計。

圖6 三叉節(jié)軸頸結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化后應(yīng)力分布云圖

2.改進方案二

球頭三叉節(jié)的壁厚加厚1m m時結(jié)構(gòu)強度適當(dāng)優(yōu)化，如圖7所示。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上僅對壁厚加厚1mm，由于壁厚的加大，軸頸根部圓角R受到限制，所以最大只能為R2。對該球頭三叉節(jié)模型同樣加載載荷時，薄弱區(qū)域同樣位于球頭三叉節(jié)軸頸根部，最大等效綜合應(yīng)力為874MPa。與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，三叉節(jié)最大等效綜合應(yīng)力增加38MPa，增加約4.5%，質(zhì)量增加約14.6 %。

圖7 三叉節(jié)的壁厚增加1mm時的應(yīng)力分布

3.改進方案三

壁厚加厚1mm同時軸頸加強后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化狀態(tài)如圖8所示，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對壁厚加厚，軸頸橢圓加粗，軸頸根部圓角設(shè)置R3。對該三叉節(jié)模型加載載荷時，薄弱區(qū)域同樣位于球頭三叉節(jié)軸頸根部，最大等效綜合應(yīng)力為689MPa。與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，球頭三叉節(jié)最大等效綜合應(yīng)力降低147MPa，降低約17.5%，質(zhì)量增加約15.8%。

綜合三種改進方案，三叉節(jié)狀態(tài)應(yīng)力情況見表1。

由以上計算分析和表1可知：

1）改進方案一僅對軸頸加強，最大等效綜合應(yīng)力達687MPa降低17.8%，質(zhì)量基本保持不變。

2）改進方案二中，三叉節(jié)壁厚增加1mm，最大等效綜合應(yīng)力達到874MPa并且質(zhì)量增加14.6%。與方案一相比，方案二強度低很多，這是因為方案二增加了三叉節(jié)壁厚，壓縮了軸頸的設(shè)計空間，特別是限制了對強度較為敏感的軸頸倒圓角R值，造成了軸頸處應(yīng)力集中增加。

圖8 三叉節(jié)壁厚加厚1mm同時軸頸加強后的應(yīng)力分布

表1 三叉節(jié)改進狀態(tài)應(yīng)力匯總

3）方案三通過同時增加壁厚且軸頸處加強，最大等效綜合應(yīng)力與方案一相同，處于較低水平。但此處強度提升主要是軸頸加強的貢獻，壁厚增加不但對提升強度效果有限，反而增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，浪費材料成本。因此不建議通過增加壁厚來提高結(jié)構(gòu)強度。

綜合以上分析，推薦選擇方案一。通過局部加強，不但能夠提高結(jié)構(gòu)強度，而且材料成本增加的最少。此方案理論上強度提升幅度最大，相應(yīng)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)疲勞壽命可提高30%以上。故改進方案一的三叉節(jié)結(jié)構(gòu)可滿足產(chǎn)品提升的扭疲性能要求。

樣品試制及性能檢測

根據(jù)上述的分析結(jié)果，按上述中推薦的方案一的情況進行試制樣品，裝配成等速驅(qū)動軸總成后，隨機抽了三支等速驅(qū)動軸總成送往技術(shù)中心汽車零部件國家級實驗室作檢測扭轉(zhuǎn)疲勞壽命測試。測試結(jié)果表明，改進后的球頭三叉節(jié)完全達到了客戶的要求，且球頭三叉節(jié)和軸桿處均無損壞。

結(jié)語

通過對該球頭三叉節(jié)失效進行多維度分析，同時運用三維設(shè)計和受力仿真分析技術(shù)進行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、驗證，使球頭三叉節(jié)承載能力提高了17.8%，通過了扭轉(zhuǎn)疲勞壽命測試并達到了客戶要求。通過三維設(shè)計與受力仿真分析，大大縮短了設(shè)計開發(fā)周期，節(jié)約了重復(fù)試驗的周期與成本，且該改進后球頭三叉節(jié)的下料質(zhì)量未增加，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計調(diào)整，加工成本無增加，產(chǎn)品強度得到有效提高，進一步提升公司產(chǎn)品設(shè)計能力水平。