機械花鍵軸發生斷裂的原因探究

張飛飛，王瑞良

（黃河科技學院，河南 鄭州 459000）

對于機械花鍵軸來說，可分為漸開線花鍵軸以及舉行花鍵軸兩種，屬于機械傳動的范疇，與斜鍵、半圓鍵以及和平鍵具有相同的作用，可起到傳遞機械扭矩的效果。同時機械花鍵軸擁有應力集中小、承載能力高、互換性強、對中性以及導向性好的優勢之處，所有在農業機械、機床制造業、拖拉機、汽車以及飛機等領域得到了十分廣泛的應用。近年來，隨著花鍵軸的廣泛使用，機械花鍵軸斷裂失效問題時有發生，同時其相關研究進程也隨之開展。

1 實驗結果與分析

對于機械花鍵軸來說，作為傳動零件，一旦發生失效故障，將產生十分重大的機械安全事故。機械花鍵軸在飛機發動機上的應用是燃油增壓泵的主要零件，其作用是將飛機發動機的部分動力向燃油增壓泵進行傳遞；花鍵軸將燃油增壓泵與機匣進行連接，一旦機械花鍵軸發生斷裂現象，將使得燃油增壓泵喪失部分功能。在某型號燃油增壓泵花鍵軸進行工作的過程中，發生了斷裂情況，這種機械花鍵軸花鍵為漸開線式花鍵，其材料使用了38CrMoAlA鋼，同時花鍵表面經過滲氮處理。這種機械花鍵軸的傳動方式為單項傳動，轉速約為8630r/min，其燃油增壓泵的最大功率為42kW。本文主要對花鍵軸的斷口以及宏觀形貌進行了分析和觀察，并測試了花鍵軸的形狀尺寸、金相組織以及材料成分，并使用有限元模擬分析以及理論計算，從而對機械花鍵軸的斷裂原因以及斷裂性質進行確定。

1.1 宏觀檢查過程

本文所研究的機械花鍵軸斷裂位置處于靠近與機械內花鍵配合端的花鍵軸最小軸徑處。這種機械花鍵軸的傳動方式是單向傳動，所有花鍵應只具有單面的接觸痕跡，所以在對花鍵的接觸痕跡進行分析與觀察后，可發現機械花鍵軸和機匣內花鍵嚙合間隙處可能存在一定問題。

1.2 形狀尺寸測量

在對機械花鍵軸的形狀與尺寸進行測量的過程中，可使用投影儀、齒輪儀以及三坐標測量儀等工具。在對測量結果進行觀察后，可發現這種機械花鍵軸的齒厚、齒向以及齒形都和相關圖紙的要求相符，但發現斷裂處軸徑尺寸較小。針對圖紙要求來說，要求斷裂處軸徑的尺寸要比實際測量尺寸大，因此沒有對圖紙的要求進行滿足。

1.3 斷口觀察

對于該機械花鍵軸宏觀斷口來說，為星形斷口形貌，在斷口的微觀形貌中，擁有十分明顯的疲勞條帶痕跡；其中心部位是瞬斷區，擁有大量的韌窩。因此，在對斷口處的形貌進行觀察后，可發現該機械花鍵軸斷口處屬于典型軸的扭轉疲勞斷口特征，扭轉疲勞破壞為其斷裂性質。觀察疲勞源區以及疲勞附近部位后也沒有發現腐蝕現象，因此也不存在冶金缺陷的問題。同時，在對其化學成分進行分析的過程中，發現該機械花鍵軸的材料符合GJB 1951—1994的相關規定要求，因此其化學成分沒有問題。

1.4 金相組織與硬度檢查

對于機械花鍵軸來說，只有花鍵才要求進行滲氮處理，因此即使該機械花鍵軸的斷裂處沒有相應的滲氮層，但是，可發現整體機械花鍵軸在進行滲氮處理前做過調質處理，可針對HB 5022-1994《航空鋼制件滲氮、氮碳共滲金相組織檢驗標準》的相關要求來評判該機械花鍵軸斷裂處的金相組織，可發現斷裂處的組織是回火索氏體，其級別為二級，由于這種機械花鍵軸零件的調質組織為1～5級，因此符合相關內容要求。最后，在對該機械花鍵軸的洛氏硬度進行測試后，可發現其硬度結果為34.5HRC，由于相關技術要求為30～37HRC之間，因此其洛氏硬度滿足相關要求。

2 分析與討論概述

獲得試驗結果后，可對其進行觀察，發現機械花鍵軸所產生扭轉疲勞破壞為其斷裂性質，但機械花鍵軸的硬度金相組織滿足要求，同時化學成分也達到了相關標準。對機械花鍵軸的斷裂位置進行觀察后，可發現花鍵軸的最小軸徑處發生了斷裂，并且這個部位的軸徑較小。在對花鍵的接觸痕跡進行分析與觀察后，可發現該機械花鍵軸花鍵與機匣內花鍵嚙合間隙存在一定問題。

對于該機械花鍵軸來說，其破壞性質為純扭轉破壞，同時其斷裂位置處于該花鍵軸軸徑最小處，所以可對該處位置針對設計要求進行扭轉疲勞強度計算校核以及最大剪切應力校核。在計算最大理論剪切應力后，其大小為141.2MPa，同時，針對扭轉疲勞強度條件公式可對該機械花鍵軸斷裂處的工作安全系數進行計算，為1.6。

在對38CrMoAlA鋼調制狀態的疲勞安全系數以及抗剪切強度進行對比后，可發現該機械花鍵軸斷裂處所設計的疲勞強度以及抗剪切強度符合相關要求。對于技術材料來說，要想產生扭轉疲勞應對以下兩個條件進行滿足：首先，存在交變扭矩以及交變應力兩個因素的存在；其次，該機械花鍵軸斷裂處的疲勞機械小于交變應力幅。針對該機械花鍵軸來說，由于其性能、組織、材料以及設計強度都滿足相關內容的要求，并且源區也未有腐蝕痕跡，同時不存在缺陷部位，所以可對花鍵的基礎痕跡進行觀察與分析，對花鍵軸花鍵與機匣內花鍵嚙合間隙存在問題進行判斷，所以可以判斷出可能由于花鍵軸花鍵與機匣內花鍵嚙合間隙存在問題，共振可能是導致該機械花鍵軸產生扭轉疲勞斷裂現象的主要原因，由于產生交變應力的原因便是共振，同時還可放大其現有能量，導致所形成的應力幅遠大于疲勞極限，但以上結果只屬于初步判斷，共振是否屬于該機械花鍵軸扭轉疲勞斷裂的產生原因，還需要進行深入分析與研究。該機械花鍵軸在第四階模態下在斷裂處產生了最大的相對振動應力。所以，如果針對工作轉速來對Campbell共振圖進行繪制的過程中，所發生的激振力頻率和第四階振型擁有相同、整數倍以及相近的固有頻率，并具有一定的共振條件。

對于機械緩建洲的激振力頻率來說，可使用公式：f3=KZ(n/60)進行計算，其中K可取1、2、3......；機匣所連接的花鍵齒數量為Z，此時可取為18，機械花鍵軸的轉速為n，可取8630r/min。針對所繪制的花鍵軸Campbell共振圖可發現，一旦K的值取為6時，轉速為8630r/min時所產生的激振力頻率和四階振型固有頻率發生相交的現象，所以可以發現機械花鍵軸的工作時擁有對四階共振引發的條件。

其次，要想對機械花鍵軸判斷是否擁有共振條件，激振力的產生原因十分重要，并且可對共振問題進行解決。對于激振力來說，一共可分為兩種，首先為機械激振力，其次為氣體激振力。而導致機械花鍵軸產生共振現象的激振力為機械激振力。因此，一旦花鍵或齒之間沒有充分配合，將導致嚙合存在間隙，使得花鍵與齒上形成周期性的激振力，并不斷作用在軸上。針對機械花鍵軸花鍵合機匣內花鍵的接觸痕跡進行分析后可對其激振力進行分析，可發現花鍵嚙合存在間隙的主要原因可能與花鍵的裝配過程、配合要求、形位公差以及加工尺寸有關，在對機匣內花鍵的壓痕形貌進行檢查后可發現燃油泵的定位銷中有明顯的毀壞痕跡，這種情況是由于裝配不當所引起的。便可得到結論：首先，機械花鍵軸斷裂性質為扭轉疲勞斷裂；其次，花鍵軸扭轉疲勞斷裂與共振有關，而共振可能是機匣內花鍵嚙合間隙不當引起的。

3 結語

綜上所述，機械花鍵軸的斷裂性質為疲勞斷裂，導致其產生疲勞裂紋的主要原因便是機械花鍵軸臺階過渡圓角區域具有馬氏體組織。對于機械花鍵軸來說，主要是兩部分進行焊接形成，主要在臺階圓角過渡處的熱影響區產生疲勞裂紋，由于熱影響區產生了脆度較高的馬氏體組織，因此花鍵軸臺階圓角過渡部位的疲勞抗力下降，使其形成疲勞裂紋，最終產生斷裂的現象，因此可使用整根材料開展鍛造加工作業，或在焊接后對焊縫進行正火處理或退火處理。