驱动桥半轴疲劳寿命预估

吴 斌（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

驱动桥半轴疲劳寿命预估

吴 斌
（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

摘 要：为改善某型驱动桥半轴的售后故障率，对现有产品进行台架试验验证。计算分析半轴的应力情况，按照锻钢的S-N曲线经验公式，预估半轴扭转的疲劳极限，进行半轴改进的设计校核。将改进后的半轴再次进行台架试验验证，改进效果满足预期要求，并使用试验结果修正半轴扭转的S-N曲线使之更加精确。

关键字：驱动桥半轴；疲劳寿命；S-N曲线

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.036

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-99-02

引言

汽车驱动桥半轴是驱动桥乃至整车结构中失效频次最高的零件之一。在我公司某系列驱动桥半轴的售后故障率表现尤为明显。在重卡产品的不断技术升级过程中，为提高车辆的油耗，发动机马力不断上升，驱动桥速比不断下降，对应的驱动桥半轴受载也会随之提高。汽车后桥半轴是后桥驱动链轮的动力传递关键元件，其疲劳寿命直接关系到行车安全，在汽车设计、制造过程中，必须通过各种方法对汽车后桥半轴的疲劳寿命进行检验[1]。通过台架试验验证现有产品的符合性，如何减低成本、提高试验效率与安全性，已成为汽车后桥半轴疲劳寿命检测与研究的焦点[2]，参考李辉等人对扭力轴的疲劳寿命影响因素进行分析[3]，改进产品以符合使用要求。

1、半轴扭转疲劳寿命试验

按照QC/T293-1999《汽车半轴台架试验方法》半轴扭转疲劳寿命试验的要求对本产品进行检验。

该产品为全浮式支撑结构，按标准规定的方法计算发动机输出最大计算扭矩Mi与地面附着力最大计算扭矩Mj，试验计算扭矩取之间的较小值。

按发动机最大扭矩计算时：

变速箱一档速比ik=12.10

驱动桥主减速比io=2.846

按最大附着力计算：

后桥满载轴荷G2=13000kg

车轮滚动半径rh=0.526m

地面附着系数=0.8

半轴计算扭矩Mj试验为交变非对称循环载荷，频率为1.5Hz，试验计算扭矩取Mj计算试验载荷Mmin=2682Nm，Mmax=29505Nm。

在同批次的300件样品中抽取5件进行试验，结果分别为11.5万次、13.6万次、14.6万次、15.8万次、19.4万次，平均寿命为15万次，不符合QC/T294-1999《汽车半轴技术条件》要求的疲劳寿命中值不小于30万次的要求。

2、疲劳寿命分析与改进

我们通过使用最早形成的疲劳设计方法-名义应力法（S-N），以材料或零件的S-N曲线为基础对照样件的应力集中系数和名义应力，集合疲劳累计损伤理论校核疲劳强度或计算疲劳寿命。疲劳失效前经历的应力或应变循环次数被称为疲劳寿命，一般用N表示。S-N曲线都是用应力循环特征R=-1的完全对称循环来测定。

理想化的S-N曲线，图1。在双对数坐标下，交变应力S和失效循环次数N为一条直线[4]。

为了让半轴的疲劳寿命试验结果满足标准及使用要求，需要得到此半轴的S-N曲线并为下一步设计改进提供依据。

半轴结构由花键、杆部、法兰组成，通常应力最大的部分都出现在直径最小的杆部。本驱动桥半轴全长L=1014mm、杆部直径d=60mm、花键长度L1=70mm、渐开线花键模数m=2、齿数z=31、分度圆直径do=65mm、材质为42CrMo，其屈服极限=930MPa、抗拉极限=1080MPa

其中材料的极限强度Su、材料的等效对称循环应力Sn、应力幅Sa、平均应力Sm。

将扭转疲劳试验条件下的数据带入Goodman曲线公式得到Sn=495.6MPa

现在已知S-N曲线上一点的数据S1=495.6MPa，N1=1.5x 105。想要得到半轴的S-N曲线还需要至少知道另一点才能为下一步设计改进提供有效依据。已知锻钢的拉伸弯曲疲劳通用S-N曲线，如2图其疲劳极限S6=Se≈0.5Su。半轴材料为42CrMo，抗拉极限=1080MPa，由于材料受扭转载荷的失效一般早于受拉，取半轴的疲劳极限Se≈400MPa。

直线的斜率b（Basquin斜率）可带入以上数据计算得到：

若想让半轴的疲劳寿命不小于30万次，计算其应力值应不大于465MPa。

为提高半轴疲劳寿命，最简单的办法即不改变材料及工艺状态下，将最小截面积加大，也就是加粗半轴。

如将半轴杆部直径加至61mm，计算等效对称循环应力为458MPa，与计算的应力指标太过接近，可能由于产品的一致性问题无法通过试验。

如将半轴杆部直径加至62mm，计算等效对称循环应力为426MPa，应力满足计算要求，且有一定安全系数。

随后更改样品杆部直径为62mm，试制一批样品进行扭转疲劳试验，在相同的试验载荷下，试验结果分别为：27.8万次、29.1万次、33.5万次、38.8万次、45.6万次，平均寿命为15万次，满足QC/T294-1999《汽车半轴技术条件》要求的扭转疲劳寿命要求。

现在通过两组试验确定的半轴扭转疲劳试验结果修正之前使用经验公式估计半轴扭转疲劳极限。得到本半轴在使用42CrMo，整体调制，表面感应淬火工艺下的S-N曲线如，图3所示。N=1000时的对称应力为707MPa，N=106时的对称应力为389MPa。

3、结论

通过两组试验基本确认了半轴扭转的S-N曲线，可以以此为依据对驱动桥半轴进行设计匹配，避免使用过程中的早期失效。如果之后还有采用相同材料、工艺的样品的试验数据还可以不断修正曲线，使之更加精确。

参考文献

[1] 金祥曙,周晓军.汽车驱动桥半轴室内试验强化系数模型研究[J].汽车工程,2007(02):146-148.

[2] 梁红琴.随机载荷作用下的货车车轴疲劳可靠性研究[D].西南交通大学,2004.

[3] 李辉,王佰超,张大舜等.扭力轴疲劳寿命影响因素分析[J].制造业自动化,2010,32(1):57-59.

[4] 周传月,郑红霞,罗慧强.MSC-Fatigue疲劳分析应用于实例[D].2005.

[5] 许本安,李秀治.材料力学[D].上海:上海交通大学出版社,1988.

Fatigue life prediction on driving axle shaft

Wu Bin
（Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201）

Abstract:In order to improve the after sales failure rate of a kind of shaft for driving axle,we testing the product on test beach. After calculate and analyze the shaftsstate of strain, we use empirical S-N curve for forged steel to predict the fatigue life on the shaft, and improve the design for the shaft. We testing the improved shaft on test beach, found the result meet the expected requirements. In order to makethe S-N curve for torque the shaft more accurate,we use test datacorrected the S-N curve.

Keywords:Shaft for driving axle; Fatigue life; S-N curve

作者简介：吴斌，就职于陕西汉德车桥有限公司。

中图分类号：U463.5

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2015)10-99-02