微型載貨汽車半軸的結構優化

合肥美橋汽車傳動及底盤系統有限公司 （安徽 230011） 張 蘭

我公司是以生產汽車后橋為主的專業生產廠家，在為主機廠配套時，曾有一時市場上出現不少微型載貨汽車半軸早期斷裂的情況，為此，我們進行了有關分析，并找出了問題之所在，現就該問題產生的原因及解決方案介紹如下。

1. 半軸熱處理工藝

半軸主要結構見圖1，技術要求：桿部表面硬度≥52HRC, 桿部有效硬化層深度（5±0.7）mm，圓角淬硬范圍最小φ50mm，淬硬層最大深度8mm。

圖1 半軸結構

熱處理工藝：中頻感應淬火+180℃低溫回火，其中中頻感應淬火采用連續加熱淬火法，所采用的頻率為3500Hz左右。

2. 原因分析

對出現斷裂的半軸進行外觀分析，發現其斷裂部位均在圓角處。根據該現象，對其圓角處淬硬層分布情況進行了分析，具體分布情況見圖2。

從圖2可以看出，圖樣要求圓角淬硬范圍最小φ50mm，而實際其圓角部位淬硬層范圍φ35mm，其分布形狀未達到產品技術要求，由此可見，半軸斷裂的主要原因是由于在圓角處出現了薄弱現象，最終導致半軸出現斷裂。

圖2 原淬硬層分布情況

根據該現象，我們對半軸中頻感應淬火情況進行了詳細分析。首先從選用感應器的一般要求來看，對于感應加熱來講，為盡量減少磁力線在大氣中逸散損失，需盡可能減少感應圈與工件之間的間隙。具體間隙要求見表1。

表1 外圓淬火時有效圈與工件的間隙

由于采用的是連續式感應加熱淬火，從技術要求上可以看出，該半軸最大直徑為φ32mm，則感應器內孔尺寸最小為φ38mm，如感應器的厚度為15mm，則感應器外徑應為φ68mm。另外，因該半軸還要保證圓角淬硬，而感應淬火時由于存在鄰近效應，而無法保證圓角淬硬，因此為了使圓角能淬硬，則在制作感應器時必須增加導磁體，用于驅使電流靠近工件表面，以提高感應器的電效率，改善加熱區磁場分布，以獲得均勻的溫度分布。因為該半軸所選用的電流頻率為3500Hz左右，根據表2可以看出，所選用的硅鋼片厚度可為0.2mm，則半軸感應器的最后外徑為φ68.4mm。

表2 常用導磁體的種類和規格

采用該感應器，對原形狀半軸進行中頻感應淬火，其到達圓角處的位置如圖3所示。

從圖3可以看出，由于感應器進入部位較淺，無法達到圖樣所要求的硬化區形狀。

圖3 原感應器進入部位

3. 解決措施

根據以上分析可以看出，由于半軸結構設計存在不合理情況，導致感應器進入部位較淺是半軸斷裂的主要原因。針對該情況，對半軸結構重新進行了改進設計，其改進后的半軸結構如圖4所示。

圖4 改進后半軸結構

（1）半軸在裝配中的實際情況 在裝配過程中靠圓角處是裝半軸套管的，只要不出現干涉就可以。從圖中可以看出改進后的半軸其圓角半徑未變化，只是出口處變得更加平緩，這對半軸套管的裝配不會產生任何影響，也就不會出現干涉現象。

（2）半軸扭轉應力的重新計算 通過半軸扭轉應力計算得出，其圓角處的結構改變，不會影響其半軸的扭轉應力。

（3）感應器進入部位情況 采用原設計的半軸感應器，放入改進后的微卡半軸中，其感應器達到部位如圖5所示。

圖5 改進后進入部位

從圖5可以看出，由于半軸結構發生了變化，感應器可以進入圓角處較深的部位，這樣在感應加熱時其圓角處的淬硬層深度可以達到比原結構要大的范圍。

通過以上分析，認為半軸結構改進后，對產品性能沒有影響，且有利于感應淬火。為了對以上分析進行驗證，對改進后的半軸采用原感應器進行中頻感應淬火，其淬硬層分布情況如圖6所示。

圖6 改進后淬硬層分布情況

從圖6中可以看出，該半軸圓角處已淬硬，達到了產品圖樣要求。

另外，由于該半軸的結構發生了改變，雖然通過理論分析不會影響其使用壽命，且在實際中圓角已淬硬，但還必須經過市場上的考驗。截止到2012年3月，對市場該半軸失效的情況進行統計，結果見表3。

表3 半軸斷裂情況統計

由于該半軸結構改進是在2011年的4月，因此從表3可以看出，改進后只有兩根失效半軸。也即該半軸結構改進后失效半軸數量已大大減少。

4. 結語

半軸結構對產品圓角能否淬硬起著至關重要的作用。在進行產品設計時除了要對其整體加工進行考慮外，還要在不影響產品使用及裝配情況下，應盡可能考慮熱處理的可操性。通過上述對結構的改進，避免了淬火薄弱環節的產生，從而減少了半軸出現早期斷裂的現象。