汽车传动轴无损探伤方案研究

2010-09-14张洪飞姚艳春李向楠杜克锋

天中学刊 2010年5期

关键词：传动轴超声波裂纹

张洪飞，姚艳春，李向楠，杜克锋

（黄淮学院电子科学与工程系，河南驻马店 463000）

汽车传动轴无损探伤方案研究

张洪飞，姚艳春，李向楠，杜克锋

（黄淮学院电子科学与工程系，河南驻马店 463000）

汽车传动轴的金属疲劳问题是高速行驶汽车的一个安全隐患．文章提出了一种汽车传动轴金属疲劳度动态无损探伤方案，即将超声波传感器安装于汽车传动轴上，利用电控单元ECU对超声波传感器输出的信息进行实时处理，当传动轴出现严重缺陷时，ECU发出指令使报警装置发出报警信号．超声波传感器的安装位置是这一方案的难点．

无损探伤；超声波传感器；汽车传动轴；报警装置；动态监测

汽车上的一些重要构件如传动轴、半轴、曲轴等，在实际工作中不断受到交变载荷的作用，金属疲劳程度逐渐加大，容易发生突然断裂，这是高速行驶汽车的一个安全隐患．车辆的定期安全检测虽然能够有效地防止这类事故，但对于某些大型汽车来讲仍不能从根本上解决问题．

随着微机技术在无损检测领域的应用，无损检测的新方法和新技术不断出现．本文在综合分析汽车传动轴、超声波传感器、报警装置特点的基础上，提出一种利用超声波传感器实时探测汽车传动轴疲劳程度的方案．

1 车用传动轴材料的断裂情况及金属疲劳特性

传动轴是由薄钢板卷焊而成的，工作过程中它不断受到扭转、振动，容易在纵向产生疲劳裂纹，甚至发生断裂．传动轴受到的交变载荷的强度不易准确预测，因此只有通过检测才能判断它是否已经达到疲劳极限．

裂纹的扩展速率da/dV与应力强度因子ΔK的关系是如图1所示的S型曲线．在图1中，I区称为不扩展区，即当结构缺陷部位的应力强度因子低于该值时，疲劳裂纹不会扩展，此时的裂纹称为安全裂纹；II区称为裂纹扩展区，即将萌生裂纹扩展；III区称为快速扩展区，此区域中的裂纹扩展速度极快，常常不计算其寿命值（已达到了疲劳极限）．

图1 da/dV与lg(ΔK)的关系

2 超声波探伤技术及汽车电控单元简介

2.1 超声波探伤技术简介

超声波传感器主要有穿透型和反射型2种．穿透型探伤的主要特点是探伤灵敏度低，不能发现小缺陷，不能定位缺陷的位置，但指示简单．与穿透型探伤相比，反射法探伤能准确地确定缺陷的位置和深度，可用不同波形进行探测，应用范围较广．

本研究中只需判断汽车传动轴是否达到了疲劳极限，而不需定位缺陷的位置，因此宜采用穿透型超声波传感器．

目前，超声波传感器在测距、探伤方面都与微机技术紧密结合，朝着智能化方向发展．例如：NM超声仪能够将检测到的缺陷信息通过微机系统传输到电控单元ECU，并对检测的信号进行分析处理（包括报警），主要用于混凝土的无损检测；DUD930数字传感器具有优良的探测特点，近场盲区小，能满足较近和较远距离探伤的要求（探伤范围在0～1000 mm），无极调节，且可自由输入并存储各种探伤标准，其不足是价格较高．

2.2 汽车电控单元简介

汽车电控单元ECU由微处理器MCU、输入电路、输出电路、A/D转换电路、接口I/O等组成，其中的MCU又由CPU、RAM数据存储器、ROM程序存储器、地址总线、数据总线、控制总线等构成．来自传感器的信号经输入电路处理后，再经A/D转换后送给CPU．CPU将输入信号与参考数据对比后发出指令信号，指令信号经功率放大（有时需转换为模拟信号）后控制相应的调节伺服元件．

3 汽车传动轴无损探伤模型的建立及分析

3.1 模型的建立

所建立模型的框图如图2所示．

图2 汽车传动轴无损探伤模型

超声波传感器（可采用车轴用超声波探伤用组合探头）安装于传动轴的两侧，检测传动轴内部的疲劳裂纹状况．ECU将传感器的输出信号处理后与ROM中存储的参考数据（反映金属内部组织变化的S型曲线的数据）进行对比，并产生控制指令．若ECU判断出传动轴内部出现了严重的疲劳裂纹，即金属裂纹进入快速扩展区，ECU将通过指令驱动声光报警器报警；若ECU判断出传动轴内部没有出现严重的疲劳裂纹，声光报警器不发生报警，但系统将自动保存检测信息以供驾驶员参考．

3.2 超声波传感器的安装方案

汽车传动轴连接在变速器与驱动桥的万向装置中，由传动轴及两端焊接的花键轴和万向节叉组成．由于传动轴在汽车运行时会发生剧烈振动，所以在安装超声波传感器时会遇到许多难题．

对于空心结构的传动轴，将超声波传感器内置于传动轴中可在一定程度上防止灰尘和异物对其造成危害，但引出线问题很难得到解决．如果将超声波传感器置于传动轴外部，则必须考虑防水、防尘、减振和耦合介质问题．超声波在金属中传播时的衰减系数非常小，常常忽略不计，但在空气中传播时的衰减系数却很大，因此必须在探头与传动轴之间加入耦合介质，可以选择黄油或者化学浆糊．化学浆糊由羟甲基纤维素与适量水调制而成，有较高的粘性，且温度变化时不会导致凝胶现象．

超声波传感器在传动轴上的安装位置有以下3种方案：(1)将超声波传感器安装在传动轴的载荷最集中处（可由传动轴的几何参数及受力特点，利用有限元分析法求得）；(2)在与传动轴正对着的车架上焊上一个固定的导轨，利用电机拖动，使超声波传感器能在导轨上往复运动，以便检测整根传动轴；(3)将超声波传感器安装在传动轴外侧，并通过电机控制传感器在传动轴上的位置．方案一可达到实时监测汽车传动轴载荷最集中处的目的，在三种方案中可行性较大，其缺点是只能对传动轴的某一部位进行实时监测；方案二从理论上讲能实现对整根传动轴的动态检测，但不易实现且空气衰减太大；方案三也能实现全轴的动态监测，但难度更大，可行性较小．

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〔责任编辑张继金〕