轿车等速万向传动中间轴热处理工艺强化

2020-11-17廖金雄

经济师 2020年11期

●廖金雄

等速万向传动轴产品设计性能指标最重要的就是静扭转强度特性和扭转疲劳强度特性。近年来，越来越多的实验证明，中间轴扭转静断裂和疲劳断裂成为了等速万向传动轴总成的主要失效方式，是由于等速万向节材料和加工工艺不断地完善及革新。

一、承载和失效

作为一辆轿车，它的主要动力传动部件就是等速万向传动轴，典型的高周疲劳累积破坏和典型的城市交通情况成为等速万向传动轴的中间轴的失效形式，其等速万向传动轴载荷谱如图1 所示。传动轴的很大一部分是小于它的疲劳极限的小载荷和位置处于中高周寿命的载荷，另外很小的一小部分是个别的出现大的极限载荷。由此可以证明，轿车中间轴的失效是十分典型的高周疲劳失效，与此同时，为了抵抗紧急情况下的冲击载荷等一些相关情况，中间轴有必要对等速万向传动轴具备的静强度储备进行一定的设计。

图1 典型城市交通下等速万向传动轴载荷谱

近年来，市面上涌现的各种格式的等速万向传动轴，其中包括三销轴式传动轴、交叉槽式传动轴等等都与非等速万向节截然不同，其中不同的地方在于其改进的方式、附加弯曲程度记忆传递的扭矩成正比等。我们从一些典型的等速万向传动轴载荷谱当中可以看出来，传递扭矩基本上是位于应力疲劳区域或者是中高寿命区域，（与静强度相关的个别大转角大转矩除外），并且我们可以将与其相应的更小的附加弯曲忽略不计。由此，我们要将高周抗扭转疲劳和静扭转疲劳作为设计等速万向传动中间轴的主要强度性能指标。

二、工艺强化制定原则

实心等速万向传动中间轴和空心等速万向传动中间轴是我们现有的两种形式。当轴截面应力的分布呈现以下几个状态时，就是中间轴正在承受纯转矩的时候：（1）轴截面表面应力呈现出最大的状态；（2）轴心应力为零；（3）靠近轴心的区域应力很低。传动轴的中间轴空心化使得重量下降，并且能够使得传动轴弯曲固有的频率被提升，NVH 特性也能因此得到有效地改善，以上情况是由于我们可以忽略不计等速万向传动轴中间轴承受的弯矩。

小尺寸、传递大转矩等是传动轴的几方面特点。现在，我们根据一款新能源汽车的等速万向传动轴作为例子来开展较全面的分析。现市面上有一款新能源汽车，它的等速万向传动轴的总成中间轴最小的外径为φ23 毫米，传动轴最大的传递扭矩不低于2600Nm，静断裂扭矩在3200Nm~3400Nm 的范围之内，疲劳试验扭矩在大于0，小于1927Nm 的这个范围内，UC2 棒料作为它的原材料，硬度范围控制在大于195 和小于240 的范围之间，屈服强度为φ0.2>400MPa、抗拉强度φb为650~800MPa。1088MPa是该中间轴的最大扭矩下危险截面的最大剪应力，最大疲劳剪应力应为806MPa，-1088MPa 为中间轴最小的主应力，+1088MPa为中间轴最大的主应力。从上述这款燃料电池轿车的等速万向传动轴这个例子当中我们可以看出，静强度和疲劳强度要求在很大程度上没有被中间轴的原始材料状态所满足，所以我们必须要采取一定的方式方法以此来提高静强度和疲劳强度，如工艺强化，进而尽可能地满意中间轴强度性能要求。

此次研究是采用硬度和强度两者之间的相对应的关系，这是由于中间轴危险截面表面硬度、静强度以及疲劳强度的相关数据很难获取得到甚至无法直接得到。图2 是有关不同深度下应变与应力的关系。

在表示不同深度下应变与应力关系的图2 中，应力和深度之间的关系曲线会根据中间轴承受的转矩不同上下线性移动，是因为应力与中间轴承受的转矩成正比的关系。空心轴、实心、原材料等都不会因为载荷而产生变动；与之不同的是，会随着疲劳损伤而下降的是在疲劳过程中不同深度下的强度和硬度，直至疲劳不再有效。中间轴的设计理念和工艺的强化必须同时满足以下两个条件：一是疲劳强度，二是静强度。

图2 不同深度下应变与应力关系

在有关疲劳强度的要求方面，需要满足的是中间轴的强化工艺：在无限寿命设计的前提条件下，强化后的中间轴的疲劳极限应小于不同深度下的最大动载荷下的应力；若前提条件为有限寿命的设计，则要在载荷—应力曲线、传动轴的载荷谱或者经过工艺的强化后的材料以及一些相关的理论的基础之上而开展抗疲劳设计——强度与硬度在经过工艺的强化下深度的不同；抱着增加中间轴疲劳寿命以及控制中间轴纹裂萌生的区域的目的，疲劳过程中裂纹的产生从表面转入到次表面，也就是接触点发生在次表面是强化工艺必须要做到的一点，其他的剩余部分是通过中间轴的强化工艺的原因从而进一步形成残余压应力①。

有关静强度的方面，必须要做到的是满足中间轴的工艺强化：被承受极限静载荷的条件下的传动轴，根据深度变化曲线的改变，应力不高于随深度变化曲线的强度；仅对于静强度而言，并非越深的强化层就越好，其中的原因是当截面因为深度增加而受到的应力减小时，在表面存在着危险应力；实心轴的心部要通过适度的塑性和韧性来对抗使用过程中受到冲击和变形的中间轴，所以实心轴在大部分情况下不可以全部硬化透；关于空心轴需要注意的问题是，即使空心轴的内表层也能依靠强化来提高它的强度，此时需要注意的地方是，记得预留适度的空间，这样做的目的是为了抵抗被冲击和变形的区域。

在疲劳过程中，危险截面疲劳强度的计算公式如下（高周疲劳失效材料和零件的残余应力视为平均应力）：

σ-1d=f（-β×σRSd+σbd）

上述公式当中: 深度为d 时的疲劳极限为σ-1d是深度为d时的残余应力为σRSd,用残余拉应力取正，残余压应力取负；β是残余应力的影响系数，把它看作为1；疲劳极限和抗拉强度的比值是f，即疲劳比，通常情况下的值是在0.3~0.6 的范围内；σbd 是深度为d 时的抗拉强度。

三、引用案例

现有一款使用等速万向传动空心旋锻轴的汽车，它的传动轴被允许传递的极限转矩是2900Nm。要求有以下说明：40°为固定端角度，滑移端角度的范围是10°以下，永久变形＜2°时，静扭矩不小于2560Nm，无断裂与裂纹、能够有塑性变形下扭矩是3700Nm，极限断裂扭矩为4000Nm；疲劳强度实验有以下的要求：正负1245Nm 交变扭矩下，试验的频率为3 赫兹，平均的循环寿命必须大于30 万次。旋锻轴的危险截面外径为25.6毫米、内径必须大于6 毫米，最大静裁切应力为877MPa 是被允许传递的极限扭矩。25CrMo4 钢管作为原材料，关于25CrMo4 钢管的特点是：屈服强度为380~390MPa，断裂强度为580~600MPa，伸长率需大于或等于26%，心部硬度要满足179HV~220HV 这个范围，其目的是满足表面强度为185HV 的旋锻工艺要求。当危险截面的平均硬度满足等于243HV 这个条件时，即可达到测验标准。

从DIN50150 的强度和硬度的相对应关系可以得出，若危险截面的表面的最大抗拉强度只达到大约776MPa，那么该质量是达不到所需的标准的②。需要经过工艺的强化来提高中间旋锻轴的硬度以及强度，并且通过工艺的强化之后，中间轴必须要达到的条件为承受最小抗拉强度不低于2000MPa。有关于原材料25CrMo4 钢管需要达到的标准是：在由中间轴的整体渗碳淬火之后，心部硬度范围要满足等于480HV 的条件，硬化层的标准范围达到0.5~1.0 毫米之间，表面硬度的范围要保证控制在630~780HV 的范围内。

空心旋锻轴的危险截面在经过工艺的典型强化后的硬度沿深度的变化情况如下列图示，736HV 是表面的最高硬度，抗拉强度为2426MPa，最大剪应力（在断裂的时候）为1213MPa，以上研究的这几组数据符合传动轴静断裂强度的标准。

在强化工艺之后的疲劳强度和静强度的结果从图4 和图5中可以得出，强度试验失败的相关图片可以从图6 中看出。