驅動軸外星輪斷裂分析與優化

程天杰，王沖，姜發同，孫震，馬秋

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

引言

隨著現代汽車工業的發展，用戶對汽車性能提高的需求不斷升高，要求汽車有更好的動力性和操縱性，驅動軸是汽車驅動系統中的重要裝置，在動力傳輸中起到至關重要的作用[1]。驅動軸零件可以將兩個不重合的軸連接起來，并使兩軸以相同的角速度傳遞運動，是傳動系統中的重要部件，驅動軸應具有足夠的強度和耐久度[2,3]。汽車為廣大用戶帶來便利生活的同時，能源危機和氣候惡化的問題也日益突出[4]，各大主機廠推出更多的新能源車型，相比傳統燃油車，新能源車型往往有更大的重量[5,6]，這對驅動軸零件質量提出更為嚴格的要求。某PHEV車型在鹽城試驗場進行VPT試驗時，在鄉村路（帶拖車）2擋全油門加速到50 km/h過程中右驅動軸外星輪與輪轂軸承連接處發生斷裂，試驗里程16 956 km，完成314個循環，帶拖車200個循環；一周內，該車型在進行同樣試驗時，在高速環道（帶拖車）0~70 km/h全油門加速，左驅動軸外星輪與輪轂軸承連接處發生斷裂，斷裂時速度在30 km/h左右，里程18 300 km。該驅動軸與輪轂軸承為平臺件，隨后與其同平臺的HEV車型右驅動軸也發生了同樣問題，選擇PHEV車型的驅動軸對其進行失效分析以確認原因。

1 斷裂分析

1.1宏觀照片

該PHEV車型斷裂的兩支驅動軸宏觀照片如圖1所示，左驅動軸和右驅動軸的斷裂區域相同，都在外星輪花鍵軸與端面過渡R角處發生斷裂失效。同時，驅動軸外星輪端面和外星輪的圓角位置嚴重銹蝕，輪轂軸承內圈的貼合位置也有腐蝕產生。

圖1 驅動軸斷裂宏觀照片

驅動軸外星輪與輪轂軸承的裝配關系如圖2(a)所示，驅動軸的外星輪1的端面與輪轂軸承內圈2的端面貼合，通過固定螺栓3固定，裝配完成后，接觸面4完全貼合，不會產生縫隙。斷裂的外星輪裂紋形狀如圖2(b)及圖2(c)所示，圖2(b)為左驅動軸斷裂外星輪拼合后的照片，拼合后裂紋吻合良好，斷口形貌為鋸齒形，宏觀分析為典型的多源交變扭轉疲勞斷裂，基于斷裂面四周的多源性疲勞斷面特征，可以排除鍛造折疊和淬火裂紋的影響。圖2(c)是右驅動軸斷裂外星輪拼合后的照片，斷口的宏觀形式與左軸一致。兩軸均有嚴重腐蝕，但右軸的銹蝕程度稍輕于左側。

圖2 裝配關系及拼合照片

1.2斷口形貌

為了進一步確認零件失效的原因，利用SEM對斷口進行了分析，兩個外星輪的斷口如圖3及圖4所示，斷口宏觀上有3個特征區域：邊緣腐蝕區、中部光滑區及心部粗糙區。其中邊緣的腐蝕區域是早期疲勞形成，腐蝕區表面形成的腐蝕產物已經覆蓋了斷口；中部光滑區及心部粗糙區表面具有銀亮色，為后期撕裂形成；后期撕裂的過程由于原始組織不同，具有兩種特征：沿晶和解理。

圖3 左外星輪斷口形貌

圖4 右外星輪斷口形貌

2 理化分析

2.1化學成分

從失效的外星輪上取樣進行化學成分檢測，結果如表1所示，檢測結果滿足技術要求。

表1 化學成分檢測結果

2.2熱處理檢驗

從失效外星輪的表面取樣檢測了硬化層深度、表面硬度及心部硬度，結果如表2所示，檢測結果均滿足技術要求。

表2 硬化層深度及硬度檢測結果

2.3金相組織

在外星輪R角附近取樣檢測了表面組織及心部組織，結果如圖5所示，外星輪經過了表面感應淬火工藝處理，表面組織如圖5(a)所示，主要為馬氏體，晶粒度評級為3級-4級。心部組織如圖5(b)所示，主要為鐵素體+珠光體，晶粒度評級為7級。表面組織及心部組織正常，均滿足技術要求。

圖5 金相組織照片

3 綜合分析

該PHEV車型在同試驗工況下測試全油門加速，輪端最大扭矩為2 778.5 N·m，該車型驅動軸整軸屈服強度不低于3 300 N·m，斷裂扭矩不低于4 455 N·m，可以排除驅動軸強度問題。

綜合梳理排查試驗車輛，發現問題主要集中在PHEV及HEV車型，而AT車型和DCT車型沒有出現該問題。另外，現場試驗人員反饋當PHEV車型右側驅動軸斷裂時，檢查尚未斷裂的左側驅動軸固定螺栓，發現扭矩衰減嚴重，幾乎沒有力矩。同平臺的HEV車型右軸斷裂時，右軸同樣腐蝕嚴重，如圖6(a)所示，檢查未斷裂的左側驅動軸固定螺栓，殘余扭矩為39.3 N·m（技術要求45 N·m+90 °），左側驅動軸輕微腐蝕，如圖6(b)所示。同步排查了沒有發生斷裂的車型，右側驅動軸殘余扭矩73.1 N·m，相同位置幾乎沒有腐蝕，如圖6(c)所示；左側驅動軸殘余扭矩53.1 N·m，同樣幾乎沒有腐蝕，如圖6(d)所示。

圖6 不同車型外星輪排查

PHEV車型及HEV的車型的重量一般高于AT車型和DCT車型，驅動軸的斷裂可能與動力總成的扭矩輸出特性有關[7]，扭矩輸出過大時，驅動軸與輪轂軸承之間會存在輕微的相對滑動，導致螺栓松動。螺栓松動主要會導致兩個問題：首先，松動會使原本緊密貼合的接觸面形成空腔，試驗車輛經過試驗場的鹽水池時，鹽水會進入該空腔，驅動軸服役溫度在90 ℃左右，高溫及富鹽環境會加速驅動軸腐蝕，最終導致外星輪在R角處腐蝕嚴重；其次，外星輪端面與輪轂軸承內圈端面貼合不緊，會產生附加的彎矩。上述兩個問題都會引起驅動軸疲勞壽命降低。

4 問題再現及改進

為了確認螺栓松動及腐蝕的影響，設計了以下臺架驗證測試。1#螺栓正常打緊：使用扭矩扳手按照技術要求45 N·m+90 °打緊，打緊后最終扭矩值在70 N·m左右，模擬正常的整車裝配情況；2#螺栓非正常打緊：按照大約1 mm的間隙打緊螺栓，扭矩值不做要求，模擬螺栓服役過程中松動的情況；3#將驅動軸預先腐蝕，非正常打緊螺栓：驅動軸與輪轂軸承按照約1 mm的最終間隙擰緊螺栓后，進行36天的中性鹽霧試驗，模擬故障件狀態，由于中性鹽霧的試驗溫度低于實際驅動軸的服役溫度，36天后外星輪R角位置的腐蝕程度沒有實際斷裂的驅動軸嚴重。

以上三組分別進行扭矩±1 650， 2 Hz的低載扭疲試驗。試驗結果如表3所示，試驗照片如圖7所示，1#的斷裂位置在驅動軸三銷節處，2#及3#的斷裂位置在驅動軸外星輪末端柄部，斷裂位置及失效形式與實際斷裂的零件一致，并且疲勞壽命遠低于正常打緊的零件，經過腐蝕及非正常打緊的零件，疲勞壽命僅為正常零件的17 %。

表3 臺架驗證測試

為保證打緊后的扭矩，重新設計了驅動軸外星輪及輪轂軸承的連接方式，由原先螺栓（M12）連接變為螺母（M20）連接，如圖8所示，延長外星輪花鍵長度并加工螺紋，使用螺母將外星輪及輪轂軸承連接在一起。由于增加了標準件的尺寸，可以實現更緊固的連接，采用了新結構的車型均順利完成了VPT試驗，沒有出現過驅動軸斷裂的問題。

5 結論

通過以上分析，斷裂的驅動軸外星輪材料及熱處理滿足技術要求，試驗過程中的扭矩衰減是導致本次驅動軸斷裂的主要原因，扭矩衰減導致螺栓松動，產生的縫隙使驅動軸產生嚴重腐蝕并產生附加彎矩，形成早期疲勞，最終導致疲勞壽命大幅下降。通過改進連接方式增強驅動軸與輪轂軸承的貼合，防止螺栓松動，可以有效防止試驗過程中產生的腐蝕與扭矩衰減，避免驅動軸產生疲勞斷裂。