驅動橋半軸疲勞壽命預估

吳 斌（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

驅動橋半軸疲勞壽命預估

吳 斌
（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

摘 要：為改善某型驅動橋半軸的售后故障率，對現有產品進行臺架試驗驗證。計算分析半軸的應力情況，按照鍛鋼的S-N曲線經驗公式，預估半軸扭轉的疲勞極限，進行半軸改進的設計校核。將改進后的半軸再次進行臺架試驗驗證，改進效果滿足預期要求，并使用試驗結果修正半軸扭轉的S-N曲線使之更加精確。

關鍵字：驅動橋半軸；疲勞壽命；S-N曲線

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.036

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-99-02

引言

汽車驅動橋半軸是驅動橋乃至整車結構中失效頻次最高的零件之一。在我公司某系列驅動橋半軸的售后故障率表現尤為明顯。在重卡產品的不斷技術升級過程中，為提高車輛的油耗，發動機馬力不斷上升，驅動橋速比不斷下降，對應的驅動橋半軸受載也會隨之提高。汽車后橋半軸是后橋驅動鏈輪的動力傳遞關鍵元件，其疲勞壽命直接關系到行車安全，在汽車設計、制造過程中，必須通過各種方法對汽車后橋半軸的疲勞壽命進行檢驗[1]。通過臺架試驗驗證現有產品的符合性，如何減低成本、提高試驗效率與安全性，已成為汽車后橋半軸疲勞壽命檢測與研究的焦點[2]，參考李輝等人對扭力軸的疲勞壽命影響因素進行分析[3]，改進產品以符合使用要求。

1、半軸扭轉疲勞壽命試驗

按照QC/T293-1999《汽車半軸臺架試驗方法》半軸扭轉疲勞壽命試驗的要求對本產品進行檢驗。

該產品為全浮式支撐結構，按標準規定的方法計算發動機輸出最大計算扭矩Mi與地面附著力最大計算扭矩Mj，試驗計算扭矩取之間的較小值。

按發動機最大扭矩計算時：

變速箱一檔速比ik=12.10

驅動橋主減速比io=2.846

按最大附著力計算：

后橋滿載軸荷G2=13000kg

車輪滾動半徑rh=0.526m

地面附著系數=0.8

半軸計算扭矩Mj試驗為交變非對稱循環載荷，頻率為1.5Hz，試驗計算扭矩取Mj計算試驗載荷Mmin=2682Nm，Mmax=29505Nm。

在同批次的300件樣品中抽取5件進行試驗，結果分別為11.5萬次、13.6萬次、14.6萬次、15.8萬次、19.4萬次，平均壽命為15萬次，不符合QC/T294-1999《汽車半軸技術條件》要求的疲勞壽命中值不小于30萬次的要求。

2、疲勞壽命分析與改進

我們通過使用最早形成的疲勞設計方法-名義應力法（S-N），以材料或零件的S-N曲線為基礎對照樣件的應力集中系數和名義應力，集合疲勞累計損傷理論校核疲勞強度或計算疲勞壽命。疲勞失效前經歷的應力或應變循環次數被稱為疲勞壽命，一般用N表示。S-N曲線都是用應力循環特征R=-1的完全對稱循環來測定。

理想化的S-N曲線，圖1。在雙對數坐標下，交變應力S和失效循環次數N為一條直線[4]。

為了讓半軸的疲勞壽命試驗結果滿足標準及使用要求，需要得到此半軸的S-N曲線并為下一步設計改進提供依據。

半軸結構由花鍵、桿部、法蘭組成，通常應力最大的部分都出現在直徑最小的桿部。本驅動橋半軸全長L=1014mm、桿部直徑d=60mm、花鍵長度L1=70mm、漸開線花鍵模數m=2、齒數z=31、分度圓直徑do=65mm、材質為42CrMo，其屈服極限=930MPa、抗拉極限=1080MPa

其中材料的極限強度Su、材料的等效對稱循環應力Sn、應力幅Sa、平均應力Sm。

將扭轉疲勞試驗條件下的數據帶入Goodman曲線公式得到Sn=495.6MPa

現在已知S-N曲線上一點的數據S1=495.6MPa，N1=1.5x 105。想要得到半軸的S-N曲線還需要至少知道另一點才能為下一步設計改進提供有效依據。已知鍛鋼的拉伸彎曲疲勞通用S-N曲線，如2圖其疲勞極限S6=Se≈0.5Su。半軸材料為42CrMo，抗拉極限=1080MPa，由于材料受扭轉載荷的失效一般早于受拉，取半軸的疲勞極限Se≈400MPa。

直線的斜率b（Basquin斜率）可帶入以上數據計算得到：

若想讓半軸的疲勞壽命不小于30萬次，計算其應力值應不大于465MPa。

為提高半軸疲勞壽命，最簡單的辦法即不改變材料及工藝狀態下，將最小截面積加大，也就是加粗半軸。

如將半軸桿部直徑加至61mm，計算等效對稱循環應力為458MPa，與計算的應力指標太過接近，可能由于產品的一致性問題無法通過試驗。

如將半軸桿部直徑加至62mm，計算等效對稱循環應力為426MPa，應力滿足計算要求，且有一定安全系數。

隨后更改樣品桿部直徑為62mm，試制一批樣品進行扭轉疲勞試驗，在相同的試驗載荷下，試驗結果分別為：27.8萬次、29.1萬次、33.5萬次、38.8萬次、45.6萬次，平均壽命為15萬次，滿足QC/T294-1999《汽車半軸技術條件》要求的扭轉疲勞壽命要求。

現在通過兩組試驗確定的半軸扭轉疲勞試驗結果修正之前使用經驗公式估計半軸扭轉疲勞極限。得到本半軸在使用42CrMo，整體調制，表面感應淬火工藝下的S-N曲線如，圖3所示。N=1000時的對稱應力為707MPa，N=106時的對稱應力為389MPa。

3、結論

通過兩組試驗基本確認了半軸扭轉的S-N曲線，可以以此為依據對驅動橋半軸進行設計匹配，避免使用過程中的早期失效。如果之后還有采用相同材料、工藝的樣品的試驗數據還可以不斷修正曲線，使之更加精確。

參考文獻

[1] 金祥曙,周曉軍.汽車驅動橋半軸室內試驗強化系數模型研究[J].汽車工程,2007(02):146-148.

[2] 梁紅琴.隨機載荷作用下的貨車車軸疲勞可靠性研究[D].西南交通大學,2004.

[3] 李輝,王佰超,張大舜等.扭力軸疲勞壽命影響因素分析[J].制造業自動化,2010,32(1):57-59.

[4] 周傳月,鄭紅霞,羅慧強.MSC-Fatigue疲勞分析應用于實例[D].2005.

[5] 許本安,李秀治.材料力學[D].上海:上海交通大學出版社,1988.

Fatigue life prediction on driving axle shaft

Wu Bin
（Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201）

Abstract:In order to improve the after sales failure rate of a kind of shaft for driving axle,we testing the product on test beach. After calculate and analyze the shaftsstate of strain, we use empirical S-N curve for forged steel to predict the fatigue life on the shaft, and improve the design for the shaft. We testing the improved shaft on test beach, found the result meet the expected requirements. In order to makethe S-N curve for torque the shaft more accurate,we use test datacorrected the S-N curve.

Keywords:Shaft for driving axle; Fatigue life; S-N curve

作者簡介：吳斌，就職于陜西漢德車橋有限公司。

中圖分類號：U463.5

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)10-99-02