某验证商用车传动系万向节异常磨损初步研究和设计改进

孟凡生（北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京101400）

某验证商用车传动系万向节异常磨损初步研究和设计改进

孟凡生
（北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京101400）

商用车传动系中万向节磨损是一种比较常见的故障，如何延长万向节使用寿命，需要从设计研发、生产制造、应用维护等各个环节精益求精，其中万向节的摆角、密封结构、滚针结构、十字轴本体的材质、硬度、热处理工艺等对万向节磨损做了较大的贡献。本论文从上述各环节对万向节进行了改进，措施改进有效，得到良好的效果，值得推展。

万向节；磨损；摆角；密封

1　前言

2013年1月份，在定远试验场我司生产的某款试制商用车在可靠性能验证中频繁出现万向节批量异常磨损故障，平均故障里程为3000～4500Km就要更换，寿命使用期限10～15天，造成车辆运行效率低，验证成本偏高。该问题若不解决，肯定会带来更大的市场问题，故障照片见下图1：

由上图可见，十字轴轴径有麻点坑状磨蚀，且有缺油干烧痕迹，需要对该问题进行解决。

2　原因分析

2.1故障车辆基本情况

该车辆主要是为矿区研发，运载货物主要有煤炭、铁矿石、城建渣土等；表1为该车型的基本配置：

表1　故障车技术状态

2.2万向节磨损的几种因素

万向节磨损是一种比较常见的故障，一般分为三个阶段

1）跑合磨损：该阶段可改变万向节加工中初始表面粗糙度特性，形成了较为稳定的有利于实际工况的表面形貌，万向节在本阶段的车辆运行里程大约在1000Km左右。

2）稳定磨损：此时的摩擦条件相对恒定，该阶段代表了万向节工作使用寿命的长短，车辆运行里程大约在45000Km以上。

3）剧烈磨损：零件经过长时间工作后，零件表面遭到破坏，运动副中的间隙增大从而产生振动、冲击、噪声，摩擦副的温升和磨损速度急剧增大，零件很快报废。

万向节异常磨损是指万向节没有经过稳定磨损阶段，直接进入了快速剧烈磨损阶段，而且是随着工作时间的延长，温升越来越高，磨损越来越剧烈，直至失效。万向节正常磨损与异常磨损的工作曲线见下图2.1：

4）导致万向节异常磨损的几种因素

一般来讲，导致万向节异常磨损的原因有多种，简单总结有以下几点：

①万向节生产厂家的原材料控制、机加工水平、热处理水平、装配水平；

②万向节轴承密封设计存在缺陷；

③万向节总成零部件特别是滚针结构设计不合理，存在应力集中；

④传动轴布置不合理，万向节空间摆角过大；

⑤整车布置时，万向节选型偏小，耐疲劳强度偏低；

⑥润滑油脂的选择

本文从我司试验车中对万向节产生异常磨损故障的原因做了相关分析，着重在车辆传动轴布置、密封结构、滚针结构、润滑油脂等方面进行了原因分析并进行了优化设计改进，在随后的整车可靠性能验证中，没有出现万向节异常磨损故障，改进措施有效，可以推展。

2.3故障车万向节异常磨损原因分析

1）故障车辆传动轴布置

试制样车传动轴布置采用两根传动轴、三个万向节的布置方式，万向节规格为Φ68×165.5， Φ 140×6的轴管，鉴于空载状态传动轴承受的扭矩较小，造成万向节磨损失效是车辆满载状态为主，校核满载传动轴姿态夹角原布置方案V向校核见下图2.2：

由上图2.2可见，传动轴夹角在V向方向布置不大，且符合行业标准；校核该车型传动轴布置俯视图（见图2.3）可见，由于中桥输入法兰向右有100mm的偏置距，导致前、后传动轴不同心，第二节传动轴向右H向有个6.11°的偏摆角，使万向节空间最大摆角值增大，可用以下公式计算：

试制车万向节空间摆角校核见下表二：

由表二可见第二节传动轴与车桥主减中心线万向节空间摆角达到了6.42°，已经达到了标准的上限；万向节空间摆角大，造成万向节摆动幅度大，承受的挤压力也会加大，从而引发十字轴轴径、滚针的早磨。研究表明，当夹角由4°增至16°时，万向节滚针轴承寿命下降为原来的1/4，一般规定工作状态万向节空间摆角≤7°，因此有必要对万向节的空间摆角进行改善。

2）滚针轴承的接触应力［1］校核

因试验车万向节没有发生断裂故障，故万向节强度不是主要问题，又因为是磨损故障，故需要对滚针轴承的接触应力进行分析，万向节受力图见图2.5：

根据公式

当滚针和十字轴轴颈表面硬度在HRC58以上时，计算出的接触应力应小于3000～3200 N/mm2

式中d一滚针直径，mm；取d=6.03 mm

Q一在载荷F作用下一个滚针所受的最大载荷，

式中i一滚针列数；i=2

Z一每列中的滚针数；取Z=28

L一滚针工作长度，L=14mm

dl一十字轴轴颈，dl=47.77mm；

表2　万向节空间摆角

表3　十字轴化学成分分析

F一作用在轴颈中点的力,根据车辆配置及载荷，推导出 F=116832N

代入公式，可得出δ=3079 N/mm2，符合使用要求，从计算结果来看，处在许用应力上限，需要改进；但由于该车采用的Φ68×165.5规格的万向节是目前商用车领域最大规格的万向节，如果要开发一款更大规格的万向节，需要的时间周期较长，目前我司已列计划，本文改进措施暂不体现。

3）故障车失效万向节实物剖析

①十字轴化学成分、硬度、金相分析见下：化学成分分析见表3

检查结果表明，十字轴材质满足20CrMnTi的材料要求，化学成分合格。

十字轴硬度检测见下表4：

表4　十字轴硬度检测

对照分析，硬度及淬火层深度均合格。

c、金相检查

金相组织的检查结果表明，渗碳组织为马氏体及少量残余奥氏体，芯部区组织为低碳马氏体及碳化物组织，金相检查合格。

有上分析可知：十字轴化学成分、硬度、金相组织均符合技术要求，本次试验车万向节异常磨损与十字轴的材质、热处理等关联不大。

②异物侵入检测

拔开失效万向节未脱落的轴承，发现内部污染严重，油脂发黑，明显有泥沙、水分侵入，视镜下观察，表面呈麻点状磨损，局部比较严重，为外部异物侵入而导致，表明密封结构设计需要改进（见图2.8,2.9,2.10）。

检查失效万向节轴承密封结构，该密封结构为早期的标准型密封，见下图2.11，2.12：

失效万向节密封结构采用过盈式接触密封，密封圈硬度较高，其中一个密封唇与十字轴轴颈根部倒角处相抵触，由于十字轴轴颈根部倒角处粗糙度不好控制（通常与密封唇相配的配合面的粗糙度要求在3.2μm以下），如果表面粗糙度值处在上差，就会使密封唇口磨损加剧，从而产生漏油。该密封结构还存在以下缺陷：在万向节往复的摆动运动中，密封面上的润滑脂易被挤出，加上外部泥沙的侵蚀，首先接触面发生磨损，后期泥沙、水分、灰尘侵入内部，造成万向节异常磨损；所以要得到长期的良好的密封性能，就应尽量减少密封及其接触面双方的磨损，密封接触面的补油要充分，密封接触压力不要过大。

③滚针结构

故障车失效万向节轴承滚针采用圆柱式，见下图2.13：

该结构滚针在实际应用中边缘存在应力集中，见下图2.14，该应力对轴径磨损较大，需要改进。

④防尘罩结构

故障车失效万向节轴承防尘罩使用的是尼龙66材料（见图2.12，序号5）低温脆性温度为-20℃左右，耐寒性差，防尘罩在低温状态下容易产生性能的变化，致使防尘罩硬化变形龟裂甚至断裂，无法达到防尘效果，需要改进。

⑤万向节轴承润滑油脂分析

故障车失效万向节轴承选用的油脂是复合锂基脂，其指标为滴点大于250℃，使用温度-30～120℃，极压性能为2 800N；虽然此种油脂性能比二号汽车通用锂基脂优越，但根据卡车使用环境条件的恶劣状况，已不能满足实际使用要求，需要改进。

小结：通过以上分析，本故障车万向节异常磨损有以下几个原因，见下图2.15：

3　针对试验故障车万向节异常磨损的几点改善措施

1）传动轴布置改进：悬挂前、后传动轴中间减震支撑的吊架采用偏心结构，使前、后传动轴同心，最大限度减小后传动轴偏摆角，见下图3.1：

改进后，满载状态万向节空间夹角优化为3.56°，较原布置方案减少了2.86°，根据相关验证统计，万向节空间夹角在3.5°左右，万向节的磨损寿命可达到期望值的85%左右。

2）万向节轴承密封改进：把原密封结构的硬挤压式接触密封，改成柔性止推斜面接触密封，增设防尘唇及报轴弹簧，防止外部灰尘、泥水侵入及内部润滑油脂的流失，柔性止推斜面接触比挤压式接触性能更优越，磨损寿命长。

主密封面选在十字轴或轴承的圆柱面，由于圆柱面尺寸误差可以加工得很小，从而减小了密封唇的过盈量偏差。

3）轴承滚针的改进：在滚子轴承中，圆柱形滚子与滚道之间接触压力呈奇异分布，而导致轴承发生早期疲劳失效。凸度滚针是消除滚针应力集中、提高滚针轴承使用寿命的主要措施。此次改进选择了圆弧全凸素线型滚针替代圆柱形滚针，避免使用过程中断裂的可能性见下图3.3，3.4：

利用ANSYS有限元分析软件进行应力分析，可以看出，两端不存在应力集中，滚针受力比较均匀，见图3.5：

4）防尘罩结构改进：新设计一种钢制骨架胶合橡胶硫化成形的防尘罩，通过试制试验，密封效果好，而且解决了低温环境下万向节的密封性能。

5）万向节润滑油脂的改进：通过对现用油品的分析，需要提高润滑油脂的各项性能，通过与国内生产润滑脂的供应商联系，发现某合资公司生产的一种复合尿基脂的指标为滴点大于280℃，使用温度-30～200℃，极压性能高达9 800N，它的耐高温性能及极压性能均比复合锂基脂要好，通过典型产品性能对比试验，使用此种复合尿基脂的磨损寿命比使用原复合锂基脂寿命长70%以上，为此，我们针对该万向节选用了此种油脂代替原复合锂基脂。

4　结束语

试验车万向节经过上述改进后，可靠性验证里程又跑了近5万公里，包括泥水、坡道、高速等各种路面，万向节没有出现异常磨损故障，改进措施有效，试验故障信息封闭。

目前控制万向节空间摆角已列入我司整车开发中传动轴布置设计规范，规定万向节空间摆角≤4.5°，其余的改进措施形成技术通知下发给我司质量检验部门及供应商，做为产品采购检验标准。

［1］王望予 汽车设计［M］北京：机械工业出版社, 2004, p128.

［2］张洪欣 汽车设计：机械工业出版社, 1999, p112.

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The Preliminary Study And Design Improvement Of The Abnormal Wear Of Universal Joint In The Transmission System Of A Commercial Vehicle

MENG Fan-sheng
（Beijing Foton Daimler Automotive Co., Ltd., Beijing 101400, China ）

Commercial vehicle transmission Cardan wear is one of the common faults and how to prolong the cardan service life, need from R & D, design, manufacturing, application and maintenance all aspects of excellence, which the gimbal swing angle, sealing structure, needle structure, cross axis of the body material, hardness, heat treatment process of the universal joint wear made a greater contribution. This paper from the above aspects of the universal joint has been improved, received a good effect, get the user's affirmation.

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U467.1

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1005-2550（2016）03-0025-06