范围档气缸拨叉轴断裂故障分析研究

2012-10-24李敏哲江晓春王建京

制造技术与机床 2012年12期

李敏哲江晓春王建京

（航天十一所西安航天远征流体控制股份有限公司，陕西西安 710100）

范围档气缸是汽车变速箱的重要组成部分，其运行的安全性、稳定性直接影响到变速箱的正常工作。一旦发生故障，就会危机人身安全和对企业造成严重的经济损失。拨叉轴作为范围档气缸的主要零部件之一，在装配和使用过程中常常发生从台阶过渡处断裂的故障，断裂位置如图1所示。导致其断裂的原因有多种，比如材料选择不当、工艺可控性差及结构设计缺陷等。经对比分析，拨叉轴台阶过渡方式不合理，局部应力过大是导致拨叉轴断裂的主要原因。本文应用有限元分析方法对台阶处4种过渡方式进行了应力分析，定性分析了台阶过度处半径小于0.78 mm时的应力值变化，从工艺可控性方面提出了拨叉轴台阶过渡应选用R0.8越程槽方式。应用分析表明:该过度方式可大幅降低拨叉轴断裂故障率，对于带台阶过渡的轴类零件结构优化具有切实可行的意义。

1 分析模型及计算

1．1 建立分析模型

拨叉轴台阶过渡有两种设计方式:越程槽方式和倒角方式，如图2所示。越程槽方式可利用成型刀具一次加工完成，其加工工艺较易控制;而倒角方式一般只在图纸上标注出倒角半径的最大值，对其最小值并没有要求，且不做检测和控制。如果目测倒角半径约为0.2 mm时，实际加工时有可能没有倒角。

如图1所示，不考虑拨叉轴左端拨档缺口，取其轴对称截面一半建立图3所示轴对称分析模型，x轴为半径方向，y轴为长度方向。分析模型有限元网格划分如图4所示［1］，为了模拟应力集中，对其台阶过渡处网格密度进行了加密。

针对拨叉轴台阶过渡设计方式不同，建立了4种过渡方式的几何分析模型:R0.8 mm超程槽、R0.78 mm倒角、R0.2 mm倒角和直角方式。

1．2 计算

根据图纸设计要求，范围档气缸拨叉轴安装时预紧力矩须在80～115 N·m之间，且预紧过程中主要受拉伸载荷作用。因此，对分析模型进行有限元分析计算时可把结构简化为大端固定、小端受拉的圆杆，如图3所示。

拉伸载荷可依据《机械工程图计算手册》［2］中紧连接螺栓预紧力、预紧力矩换算方法进行计算:

式中:Py为预紧力;d0为预紧螺纹中径;α为螺纹导程角;β为螺纹摩擦角，μ=tanβ;i为螺母惯性半径。

一般螺栓粗牙螺纹导程角α=3°～4°，摩擦系数μ=0.1左右，螺纹摩擦角β=3°～4°，螺母惯性半径i≈2d0，因此式（1）可简化为:

式中:D为螺纹公称直径，D=16 mm;My为预紧力矩。

由式（2）:当预紧力矩My=115 N·m时，计算得预紧拉伸力Py=35 938 N。

拨叉轴材料选用20CrMnTi，其屈服强度σs=835 MPa，抗拉强度 σb=1 080 MPa，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3。

2 结果分析

应用有限元分析软件ABAQUS，及前后处理软件MSC．PATRAN对图3所示4种台阶过渡方式进行应力分析计算，其结果如图5～8所示（应力单位MPa）。

表1 应力集中区最大应力值对比表

由图5～8和表1可知:拨叉轴台阶过渡处网格密度大致相同情况下，应力集中值大小依次为:直角过渡＞R0.2倒角＞R0.8越程槽＞R0.78倒角。如果保证加工质量和R0.78倒角，拨叉轴台阶过渡处应力须小于R0.8越程槽过渡方式。

从有限元分析方法看:当应力集中区网格密度越大，应力值将更接近于真实值，而实际上由于计算机分析软件精度的限制，往往做不到这一点，尤其是直角过渡方式的应力集中理论上是无穷大的。因此，下面对倒角过渡方式进行定性分析。

文献［3］给出了带台阶圆角受拉圆杆的应力集中系数，如图9所示。其横坐标为倒角半径与小端直径之比，纵坐标为应力集中系数。当倒角半径为最大值0.78mm时，r/d=0.048 7，D/d=1.58，查表得应力集中系数n=2.6，预紧力矩为115N·m时的最大应力σmax=462MPa（σmin=178MPa）;当倒角半径为0.2mm时，r/d=0.01，应力集中系数n＞4，最大应力σmax＞712MPa，这已接近于拨叉轴材料20CrMnTi的屈服强度。因此，如果拨叉轴台阶过渡倒角再小，过渡处的应力将急剧增大至无穷大。

3 应用分析

3．1 加工工艺性分析

根据上述分析结果，分别从R0.78倒角和R0.8越程槽台阶过渡方式的拨叉轴成品中各抽取5件，其测量结果如表2所示。

表2 R0.78、R0.8尺寸测量结果

由表2可知:R0.78倒角和R0.8越程槽在加工时，由于加工者技能差异及成型刀具磨损等，使得加工结果的测量值均有所偏差。但相比而言，R0.8越程槽测量值明显优于R0.78倒角的测量值。因此，R0.8越程槽方式从加工工艺性方面较易控制。

3．2 过渡方式改进

综合考虑应力分析结果和实际加工工艺可控性，选R0.8越程槽为拨叉轴台阶过渡方式。经装配和用户使用过程中实际断裂故障统计数据显示，拨叉轴断裂失效故障大幅下降。因此，拨叉轴台阶过渡改为R0.8越程槽方式对降低范围档气缸拨叉轴断裂故障是实用有效的，显著提升了范围档气缸工作的安全性和稳定性。故障统计数据见表3。