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【摘 要】重型商用车的驱动桥在工作过程中，除承受载荷外，还需承受较大的扭矩，对整车的行驶安全性具有较大的影响。某新车型在试验过程中出现驱动桥输入轴断裂的现象，文章通过材质检测及理论计算，分析工艺过程，对失效因素进行排查，最终找到失效原因，并提出改善措施，改善后验证效果良好。
【关键词】驱动桥；输入轴；硬度；金相
【中图分类号】U467 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）09-0075-03
0 引言
驅动桥是整车动力传递的关键环节，驱动桥的输入轴将传动轴输出的力矩传送至车轮，在工作过程中承受较大的扭转和冲击疲劳，是关系车辆行驶安全的关键零部件[1]。某车型在进行整车定型试验时，出现驱动桥输入轴断裂的现象，需开展原因分析并制定整改措施，以提高新车型质量。
1 断裂位置
从1#故障件（如图1所示）及2#故障件（如图2所示）上可以看出，均为大头端花键齿根部出现扭曲变形及断裂。该位置变形断裂的主要原因可能为材质、硬度、金相组织存在异常导致强度降低或者应力集中产生断裂。
2 材质分析
2.1 材料检测
表1为故障件材料成分检验结果，该零件要求材质为42CrMo，可看出材料成分符合要求（由于1#故障件及2#故障件为同批次零件，材料成分可认为一致）。
2.2 硬度检测
对故障件进行表面及心部硬度测试，1#故障件及2#故障件的表面硬度均为50 HRC，1#故障件的心部硬度为22～24 HRC，2#故障件的心部硬度小于17 HRC，而理论上要求表面硬度为55～60 HRC，心部硬度为26～32 HRC，均不合格。
2.3 金相组织检测
表2为金相组织检验结果，从中可以得出以下结论。
（1）断口处齿顶含铁素体多，组织软，塑性大，因此断口处齿轮严重扭曲变形。
（2）断口面心部金相含较多铁素体，且晶粒粗大，导致心部组织软，易变形，承受能力弱。
3 理论计算验证
故障件所配车型为6×4牵引车，该车型的基本配置及载重情况详见表3，基于该配置信息进行输入轴受力计算。
3.1 输入轴扭矩计算
（1）通过发动机最大扭矩计算：M1输入=M发动机×i0×η=2 060×15.53×0.95=3 039 2.21 N·m（1）
式中：M发动机为发动机最大输出按矩；i0为变速箱1挡速比；η为机械效率，取0.95。
（2）通过车轮打滑临界条件计算：
M输入（3.08）=■=■=27 130 N·m（2）
式中：G为双桥满载静负荷；i主减为主减速比；μ为地面附着系数；η为机械效率，取0.95。
车轮打滑时所承受的扭矩即为输入轴工作时承担的最大扭矩，即3.08速比输入轴最大承载：M（3.08）=27 130 N·m。
3.2 输入轴弯矩计算
输入轴上装有斜齿齿轮，承受齿轮反作用的轴向力及径向力，受力分析如下。
根据受力分析计算断口处弯矩：
（1）根据输入轴x-y平面的受力情况计算断口处的弯矩大小。
Mx，x-y=6 589.98×0.1=659 N·m（3）
（2）根据输入轴x-z平面的受力情况计算断口处的弯矩大小。
Mx，x-z=53 111.8×0.1=5 311.2 N·m（4）
（3）根据圆形截面弯矩合成计算总弯矩大小。
Mx=■=5 351.9 N·m（5）
3.3 断口应力分析
根据实际硬度检验结果估算心部及淬硬层的许用应力[2]（为便于比较计算，取表层硬度为55 MPa，心部硬度为26 MPa）：
[σ心17HRC]≈0.9（49.1+3.174×170-16）
=515.4 MPa（6）
[σ心22HRC]≈0.9（49.1+3.174×220-100）
=582.6 MPa（7）
[σ淬50HRC]≈0.9（49.1+3.174×500+16）
=1 486.9 MPa（8）
[σ心26HRC]≈0.9（49.1+3.174×260+16）
=801.3 MPa（9）
[σ淬55HRC]≈0.9（49.1+3.174×550+16）
=1 629.7 MPa（10）
根据样件实际情况（半径R=30 mm；淬硬层深δ=7 mm）进行计算。
则抗扭模量：Wt=■=42.39×10-6 m3（11）
抗弯模量：Wx=■=21.2×10-6 m3（12）
根据公式τ=■，计算输入轴扭转应力：
τ=■×106=640 MPa（13）
根据公式σ=■，计算输入轴弯曲应力：
σ=■×106=252.45 MPa（14）
则截面受到的最大应力为σ=■=688 MPa，位于断口外表面。
3.4 安全系数计算
分别对断裂样件、合格样件进行理论及实际应力和扭矩计算[2]，可得出其安全系数，计算结果如下。{1}合格样件（心部硬度为26 HRC，表面硬度为55 HRC）：理论最大极限应力为1 043.9 MPa，实际计算最大应力为688 MPa，安全系数为1.52。{2}1#故障件（心部硬度为22 HRC，表面硬度为50 HRC）：理论最大极限应力为768.1 MPa，实际计算最大应力为688 MPa，安全系数为1.12。{3}2#故障件（心部硬度为17 HRC，表面硬度为50 HRC）：理论最大极限应力为670.9 MPa，实际计算最大应力为688 MPa，安全系数为0.98。 根据前面计算及金相分析，得出结论如下：{1}通过金相分析，心部铁素体成粗大晶粒，组织较软，强度低，可塑性大，在受到较大载荷时，在心部容易发生变形而导致失效。{2}根据断面分析，垂直轴向的断裂模式主要为解理断裂，断裂方向为晶向。{3}根据金相分析，花键齿顶的马氏体组织少，铁素体+珠光体结构，导致硬度低，容易产生严重扭曲变形。{4}根据受力计算，在打滑工况下，由于心部硬度不足，强度较低，导致输入轴整体承载能力下降（安全系数下降），降低26%～36%；结合金相分析，花键处淬硬层存在不均匀且深度不足等问题，增加风险程度，故输入轴存在断裂风险。
4 工艺过程分析
（1）心部组织为珠光体+索氏体+网状、块状铁素体：主要原因是调质冷却效果不良引起，淬火时采用整框（20件/框）竖直式吊入，导致中间部位个别零件冷却效果不佳。
（2）表面硬度偏低：主要原因为淬火液浓度偏高，PAG淬火液浓度要求为7%～10%，正常添加淬火液时，操作工人凭经验添加，未能进行检测，导致浓度偏高。
5 改进方案及效果
5.1 改善措施
（1）取消退刀槽，减少应力集中。
（2）采用单根悬挂淬火，避免中间部位个别零件冷却效果不佳。
（3）严格按规定控制淬火液浓度的添加，采用折光仪对淬火液浓度进行检测，达到7%～10%的要求后方能进行生产。
5.2 改善前后强度计算
如图3及图4所示，A、B位置为故障件断裂及应力较大位置，对此2处位置进行改善前后的强度计算，计算结果详见表4，可看出强度得到较大提升。
5.3 试验验证效果
通过上述改善后的输入轴装车进行3万km定远试验场强化路试验，未再出现输入轴断裂问题，改善效果良好。
6 建议
驱动桥作为重型汽车重要的零部件系统，在开发过程中有以下几点建议：{1}应根据实车使用环境、运行工况进行理论计算，分析材料是否满足强度要求。{2}零件结构在满足加工工艺的前提下，应尽量避免出现应力集中的位置。{3}生产过程的关键工艺应作为重点监控环节，提高过程一致性。{4}制订有效的外购件材质抽查检验计划，避免不合格件流入。
参 考 文 献
[1]徐珊珊，万从贵，王海朔.某驱动桥半轴套管断裂分析和优化设计[J].科技与企业，2012（11）.
[2]袁玉明，徐以军，杨建威.轴类零件表面淬硬层深度的确定[J].山东冶金，2003（4）.
[3]余兆新，謝灵扬.42CrMo钢硬度与强度关系研究[J].装备制造，2009（4）.
[责任编辑：陈泽琦]
【关键词】驱动桥；输入轴；硬度；金相
【中图分类号】U467 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）09-0075-03
0 引言
驅动桥是整车动力传递的关键环节，驱动桥的输入轴将传动轴输出的力矩传送至车轮，在工作过程中承受较大的扭转和冲击疲劳，是关系车辆行驶安全的关键零部件[1]。某车型在进行整车定型试验时，出现驱动桥输入轴断裂的现象，需开展原因分析并制定整改措施，以提高新车型质量。
1 断裂位置
从1#故障件（如图1所示）及2#故障件（如图2所示）上可以看出，均为大头端花键齿根部出现扭曲变形及断裂。该位置变形断裂的主要原因可能为材质、硬度、金相组织存在异常导致强度降低或者应力集中产生断裂。
2 材质分析
2.1 材料检测
表1为故障件材料成分检验结果，该零件要求材质为42CrMo，可看出材料成分符合要求（由于1#故障件及2#故障件为同批次零件，材料成分可认为一致）。
2.2 硬度检测
对故障件进行表面及心部硬度测试，1#故障件及2#故障件的表面硬度均为50 HRC，1#故障件的心部硬度为22～24 HRC，2#故障件的心部硬度小于17 HRC，而理论上要求表面硬度为55～60 HRC，心部硬度为26～32 HRC，均不合格。
2.3 金相组织检测
表2为金相组织检验结果，从中可以得出以下结论。
（1）断口处齿顶含铁素体多，组织软，塑性大，因此断口处齿轮严重扭曲变形。
（2）断口面心部金相含较多铁素体，且晶粒粗大，导致心部组织软，易变形，承受能力弱。
3 理论计算验证
故障件所配车型为6×4牵引车，该车型的基本配置及载重情况详见表3，基于该配置信息进行输入轴受力计算。
3.1 输入轴扭矩计算
（1）通过发动机最大扭矩计算：M1输入=M发动机×i0×η=2 060×15.53×0.95=3 039 2.21 N·m（1）
式中：M发动机为发动机最大输出按矩；i0为变速箱1挡速比；η为机械效率，取0.95。
（2）通过车轮打滑临界条件计算：
M输入（3.08）=■=■=27 130 N·m（2）
式中：G为双桥满载静负荷；i主减为主减速比；μ为地面附着系数；η为机械效率，取0.95。
车轮打滑时所承受的扭矩即为输入轴工作时承担的最大扭矩，即3.08速比输入轴最大承载：M（3.08）=27 130 N·m。
3.2 输入轴弯矩计算
输入轴上装有斜齿齿轮，承受齿轮反作用的轴向力及径向力，受力分析如下。
根据受力分析计算断口处弯矩：
（1）根据输入轴x-y平面的受力情况计算断口处的弯矩大小。
Mx，x-y=6 589.98×0.1=659 N·m（3）
（2）根据输入轴x-z平面的受力情况计算断口处的弯矩大小。
Mx，x-z=53 111.8×0.1=5 311.2 N·m（4）
（3）根据圆形截面弯矩合成计算总弯矩大小。
Mx=■=5 351.9 N·m（5）
3.3 断口应力分析
根据实际硬度检验结果估算心部及淬硬层的许用应力[2]（为便于比较计算，取表层硬度为55 MPa，心部硬度为26 MPa）：
[σ心17HRC]≈0.9（49.1+3.174×170-16）
=515.4 MPa（6）
[σ心22HRC]≈0.9（49.1+3.174×220-100）
=582.6 MPa（7）
[σ淬50HRC]≈0.9（49.1+3.174×500+16）
=1 486.9 MPa（8）
[σ心26HRC]≈0.9（49.1+3.174×260+16）
=801.3 MPa（9）
[σ淬55HRC]≈0.9（49.1+3.174×550+16）
=1 629.7 MPa（10）
根据样件实际情况（半径R=30 mm；淬硬层深δ=7 mm）进行计算。
则抗扭模量：Wt=■=42.39×10-6 m3（11）
抗弯模量：Wx=■=21.2×10-6 m3（12）
根据公式τ=■，计算输入轴扭转应力：
τ=■×106=640 MPa（13）
根据公式σ=■，计算输入轴弯曲应力：
σ=■×106=252.45 MPa（14）
则截面受到的最大应力为σ=■=688 MPa，位于断口外表面。
3.4 安全系数计算
分别对断裂样件、合格样件进行理论及实际应力和扭矩计算[2]，可得出其安全系数，计算结果如下。{1}合格样件（心部硬度为26 HRC，表面硬度为55 HRC）：理论最大极限应力为1 043.9 MPa，实际计算最大应力为688 MPa，安全系数为1.52。{2}1#故障件（心部硬度为22 HRC，表面硬度为50 HRC）：理论最大极限应力为768.1 MPa，实际计算最大应力为688 MPa，安全系数为1.12。{3}2#故障件（心部硬度为17 HRC，表面硬度为50 HRC）：理论最大极限应力为670.9 MPa，实际计算最大应力为688 MPa，安全系数为0.98。 根据前面计算及金相分析，得出结论如下：{1}通过金相分析，心部铁素体成粗大晶粒，组织较软，强度低，可塑性大，在受到较大载荷时，在心部容易发生变形而导致失效。{2}根据断面分析，垂直轴向的断裂模式主要为解理断裂，断裂方向为晶向。{3}根据金相分析，花键齿顶的马氏体组织少，铁素体+珠光体结构，导致硬度低，容易产生严重扭曲变形。{4}根据受力计算，在打滑工况下，由于心部硬度不足，强度较低，导致输入轴整体承载能力下降（安全系数下降），降低26%～36%；结合金相分析，花键处淬硬层存在不均匀且深度不足等问题，增加风险程度，故输入轴存在断裂风险。
4 工艺过程分析
（1）心部组织为珠光体+索氏体+网状、块状铁素体：主要原因是调质冷却效果不良引起，淬火时采用整框（20件/框）竖直式吊入，导致中间部位个别零件冷却效果不佳。
（2）表面硬度偏低：主要原因为淬火液浓度偏高，PAG淬火液浓度要求为7%～10%，正常添加淬火液时，操作工人凭经验添加，未能进行检测，导致浓度偏高。
5 改进方案及效果
5.1 改善措施
（1）取消退刀槽，减少应力集中。
（2）采用单根悬挂淬火，避免中间部位个别零件冷却效果不佳。
（3）严格按规定控制淬火液浓度的添加，采用折光仪对淬火液浓度进行检测，达到7%～10%的要求后方能进行生产。
5.2 改善前后强度计算
如图3及图4所示，A、B位置为故障件断裂及应力较大位置，对此2处位置进行改善前后的强度计算，计算结果详见表4，可看出强度得到较大提升。
5.3 试验验证效果
通过上述改善后的输入轴装车进行3万km定远试验场强化路试验，未再出现输入轴断裂问题，改善效果良好。
6 建议
驱动桥作为重型汽车重要的零部件系统，在开发过程中有以下几点建议：{1}应根据实车使用环境、运行工况进行理论计算，分析材料是否满足强度要求。{2}零件结构在满足加工工艺的前提下，应尽量避免出现应力集中的位置。{3}生产过程的关键工艺应作为重点监控环节，提高过程一致性。{4}制订有效的外购件材质抽查检验计划，避免不合格件流入。
参 考 文 献
[1]徐珊珊，万从贵，王海朔.某驱动桥半轴套管断裂分析和优化设计[J].科技与企业，2012（11）.
[2]袁玉明，徐以军，杨建威.轴类零件表面淬硬层深度的确定[J].山东冶金，2003（4）.
[3]余兆新，謝灵扬.42CrMo钢硬度与强度关系研究[J].装备制造，2009（4）.
[责任编辑：陈泽琦]