三叉万向节三等分对寿命的影响分析

罗廷银　黄东勋

摘 要

三叉万向节的使用工况很复杂，承受的瞬间载荷较大，承载负荷对产品的使用非常重要，万向节的三等分和滚针轴承内部配合间隙决定产品的承载能力，针对多年主机市场收集的信息进行分析研究，万向节的三等分和滚针轴承内部配合间隙至关重要。

关键词

万向节;三等分;三叉;滚针

中图分类号： TH71                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.052

0 前言

本研究的三叉万向节应用于轿车领域的传动轴上，功能是将轿车的差速器端与车轮之间不在一条直线中心上连接起来传递转矩，传递转矩大且转速高，是传动装置中的核心部件。三叉万向节是很灵活的关节，不能出现卡滞，疲劳脱节，关节的受力比较复杂，尤其是在异常冲击情况下承受的瞬间载荷大，所以三叉万向节轴承的内部配合间隙和内部位置度公差精度要求尤为重要。

1 研究背景

根据近些年里收集了主机市场反馈的信息进行统计分析，发现售后件里50%以上比例的失效产品都是三叉万向节的滚针早期磨损后断裂失效，失效后产生异响，此问题的产生是非常受关注的，因此需要攻克的问题的核心。

2 根据三叉万向节使用工况进行原理分析

三叉万向节的分力F的杠杆臂L是变化的，通过中点O转动，三叉万向节均发生相对滑动：（图1）在x1方向移动了a;在y1方向移动了b，a和b在x  y  z  坐标系中为正（+），在x1y1z1坐标系中为负（-）;当传动轴摆角β为0°时，三叉万向节三个轴之间120°上轴臂的力是平衡的，等价压力P的三个分力位于同一平面内，把切向力分配到三个轴上，而且常常相等，这是一种依照式的均衡传递。由于负荷均衡传动，三叉万向节的外圈顺着传动轴每转动一圈要产生相应的微动。然而，尽管由此摆动，在三叉万向节上滚针轴承的负荷保持相等。

关系为：∑Px=0=>  F1cosφ2+F2sin（φ2+120°）+F3sin（φ2+240°）=0

并对0点求矩 ∑M=0，F1L1+F2L2+F3L3-M=0

由于转矩M产生的压力P使其滚针与轴承产生线接触，压力载荷点1和压力载荷点2被分配给整个滚针轴承，在压力载荷点3处的等价压力P作用在较窄的接触面上，因而Q3=Q2=P1，根据Hertzian汽车起步时的压力 P1>P3。

3 根据失效模式表现及其技术要求分析

1）产品技术要求及其控制要点进行创新工艺滚针轴承设计的间隙不易过大，滚针会发生歪斜载荷应力集中，一般圆周总间隙为0.15～0.35mm为宜，已经过验证其间隙的合理性。三叉万向节叉体采用的是20CrMnTi材料，毛坯经冷挤成型后再进行释放残余应力处理，精加工后表层渗碳热处理，淬火硬化层深度Eht=0.8mm+0.2mm，后续对三叉万向节叉体轴径磨削精加工，磨削面不允许烧伤及组织退化的缺陷。

2）由于轴承滑动接触面受不均匀的力后局部更易于产生摩擦，因此必须考虑三叉万向节三等分位置度及其形状具有高度精确性，使其三叉万向节三等分受相对均衡的力达到均衡传递的目的。

根据以上技术要求分析及结合实际出现的失效件来作对比验证分析：失效件的表面特征在于滚针一头磨损后导致受力不均匀不能均衡传递，局部应力急剧增加导致应力集中后过载断裂失效，并经检测三等分累积误差为120°25′，内切圆фd>0.35，内孔中心圆心距L>0.2。（图2 фd与L）再结合实际加工工艺分析，三叉万向节的三等分处于偏心状态，经排查加工机床位置精度不稳定，导致加工的三叉万向节轴径根部经使用受力不均匀，与滚针出现头部先接触受力磨损。实际加工时的技术文件要求和主要检测控制手段都是监控三等分分度尺寸指标，忽视了内切圆和内孔中心圆心距的管控与检测。通过失效案例的失效模式及其表现的综合分析，来改善了三叉万向节三等分的工艺及其管控手段，并设计规定累积误差最大7′，内切圆фd<ф0.15，内孔中心圆心距L<фd/2，这两个指标作为重点控制项目进行监控，同时定期对机床位置度精度和夹具精度纳入保养计划中的重点管控项目，并增加监控频次。

以上（图3测量方法）考虑到三叉万向节的过程加工和检测误差，只能作为过程检查控制，也可以采取其他方法来保证三等分要求，但最终确定三等分、内切圆、内孔中心孔偏心距数据以投影法和三坐标检测数据为准。

4 结束语

本研究提出的创新工艺与控制方法得到了试验设计验证，并经市场的考验，从售后三包反馈类似失效件几乎很少，失效件统计显示类似失效件比例降低80%。经过以上分析与优化，使我们在加工这类产品时，不能只考虑三等分，必须经过失效案例收集统计分析和理论设计分析与验算来验证再现性，此案例经研究分析还得考虑工艺产生相关联的工艺尺寸，因为三等分合格的产品，其关联的内切圆和内孔中心圆心距不一定合格，这类产品在复杂路况受到不正常的外力造成三等分受力就不均匀，接触应力集中导致早期失效。其次产品在加工过程中不但要考虑检测三等分尺寸的检测，也同时把关内切圆和内孔中心圆心距，因为这是机床加工位置度精度稳定性管控的问题，只有调整并监控保養好机床加工精度才能保证工艺的稳定有效性，最终保证产品的合格一致性才能赢得市场的认可和满足市场的需求，并占有一席之地。

参考文献

[1]万向节滚针轴承标准介绍. 马素青，张俊英，马卫东.《轴承》1997. No.4.

[2]万向节和传动轴[M]. 伍德荣，肖生发，陶健民.北京理工大学出版社1997.