夾心取力器斷軸故障分析及解決方案

張 明，郭雯靜，孫振東，郭守山，張允學，許 濤

（中國第一汽車股份有限公司，吉林長春130011）

0 引言

取力器 （Power Take Off，PTO）是一組或多組變速齒輪，又稱功率輸出器，一般由齒輪箱、離合器、控制器組合而成，將動力輸出至整車上裝設備，使車輛實現行駛外的其他動力輸出。根據動力輸出形式的不同，通常可分為變速器側部動力輸出形式、變速器前部動力輸出形式、變速器后部動力輸出形式、發動機前部動力輸出形式等。本文作者介紹的夾心取力器為發動機后部動力輸出形式，從發動機飛輪取力，可實現全功率輸出。主要介紹試驗過程中，夾心取力器輸入軸斷裂的故障情況，通過材料工藝分析和CAE計算分析失效模式，對取力器結構、工藝進行改進，通過試驗驗證。

1 故障情況

整車進行可靠性試驗時，由于夾心取力器輸入軸斷裂 （斷軸見圖1），發動機動力無法傳遞到傳動系統，造成車輛無法行駛。

圖1 輸入軸斷裂

夾心取力器安裝在發動機后離合器前，從發動機飛輪取力（取力器布置見圖2）。其主要功用是傳遞發動機動力到傳動系統，用于車輛行駛；傳遞動力到整車上裝系統，用于滿足車輛行駛之外的其他動力需求，可持續輸出動力，不受離合器的離合影響。取力器輸入軸前端通過扭轉減振器 （扭轉減振器見圖3）與飛輪聯接，后端與離合器聯接。動力自發動機通過扭轉減振器傳遞給取力器輸入軸，取力器輸入軸通過離合器傳遞給變速器，形成車輛行駛的動力傳遞。

圖2 取力器布置方案

扭轉減振器 （見圖3）通過螺栓安裝在發動機飛輪上，具有離合器摩擦片相同的扭轉減振功能，可減小傳動系的振動和沖擊。

圖3 扭轉減振器

2 材料工藝分析

取力器輸入軸材料為20CrMnTi，鍛打后正火處理，滲碳淬火，技術要求見表1。

表1 技術要求

對取力器輸入軸材料、熱處理進行檢測，結果見表2。取力器輸入軸的表面硬度、心部硬度、金相組織符合技術要求，有效硬化層深偏低 （取力器輸入軸組織見圖4、圖5）。

取力器輸入軸宏觀形貌如圖6所示：在花鍵嚙合部分外側至末端過渡圓角處，花鍵受扭曲剪切應力發生變形、開裂；花鍵末端過渡圓角處發生斷裂，斷口為多源疲勞斷口，如圖7所示。

表2 材料分析

圖4 取力器輸入軸表面組織

圖5 取力器輸入軸心部組織

圖6 輸入軸宏觀形貌

圖7 斷裂截面形貌

花鍵嚙合部分外側齒面與花鍵末端圓角處均存在疲勞裂紋，裂紋源位于花鍵齒面 （變形區疲勞源位置見圖8，扭轉載荷疲勞源形貌見圖9）。

圖8 變形區疲勞源位置

圖9 扭轉載荷疲勞源形貌

斷裂截面裂紋源位于花鍵齒面兩側圓角處，花鍵兩側的裂紋在徑向方向均已延齒根擴展至輸入軸3／4半徑處 （徑向裂紋見圖7），在軸向方向裂紋延齒根擴展至花鍵嚙合區外開裂部位附近 （軸向裂紋見圖10）。

根據宏觀分析，輸入軸早期失效原因為扭轉變形后疲勞開裂，花鍵齒中部及末端圓角處齒面均產生疲勞裂紋；花鍵齒根部為剪切開裂。

花鍵齒中部及末端圓角處裂紋由扭轉變形產生的應力導致；花鍵齒根部開裂由扭轉產生的切應力產生。分析認為花鍵齒中部及末端圓角處裂紋是初始裂紋，體現結構強度不足以抵抗沖擊等工況載荷。

圖10 齒根裂紋形貌

3 負載分析

取力器輸入軸負載源于扭轉減振器。拆解扭轉減振器，發現限位齒兩側撞擊痕跡明顯 （撞痕見圖11），說明故障車輛的發動機沖擊扭矩超過扭轉減振器極限扭矩，扭轉減振器不能滿足故障車輛的使用工況。實測扭轉減振器極限扭矩不小于3 000 N·m（扭轉特性曲線見圖12），說明取力器的輸入扭矩出現了大于3 000 N·m的沖擊負荷。

圖11 扭轉減振器限位撞擊痕跡

圖12 扭轉特性曲線

4 CAE分析

對取力器輸入軸進行CAE計算，并與已經通過驗證的變速器一軸對比分析，結果如表3所示，取力器輸入軸花鍵齒根及末端圓角小，存在應力集中現象，最大主應力大于變速器一軸，計算壽命小于變速器一軸 （壽命計算結果見圖 13、圖 14）。

表3 原取力器CAE分析結果

圖13 取力器輸入軸計算結果

圖14 變速器一軸計算結果

5 改進措施

為提高取力器輸入軸使用壽命，需要減小輸入軸的承載負荷，并對取力器輸入軸結構進行優化，控制熱處理工藝，提高輸入軸的結構強度。

5.1 采用改型離合器

扭轉減振器通過螺栓安裝在發動機飛輪上，當傳遞扭矩大于扭轉減振器極限扭矩時，扭轉減振器剛性傳扭，對取力器輸入軸不再起到減振保護作用。改型離合器同傳統離合器一樣由摩擦片和離合器蓋組成，沒有分離結構。摩擦片通過離合器蓋壓緊在發動機飛輪上不分離，摩擦片通過花鍵與取力器輸入軸連接，在保留扭轉減振功能的前提下，通過摩擦片滑磨對取力器輸入軸進行過載保護 （改進方案見圖15）。

圖15 扭轉減振改進方案

5.2 優化取力器輸入軸結構及工藝

取力器輸入軸花鍵加工方式由立銑改為盤銑，增加花鍵齒根圓角及退刀圓角，避免出現應力集中。按要求進行熱處理，保證有效硬化層深 （輸入軸改進方案見圖16）。

圖16 取力器輸入軸改進方案

6 驗證措施

6.1 CAE計算

對改進取力器輸入軸進行有限元計算，并與變速器一軸對比分析，結果如表4所示。

表4 改進取力器CAE分析結果

CAE計算結果所示：改進后取力器輸入軸花鍵齒根應力集中現象改善明顯，疲勞壽命、靜強度均優于變速器一軸，可滿足使用要求 （靜扭計算結果見圖17、圖18）。

圖17 取力器輸入靜扭計算結果

圖18 變速器一軸靜扭計算結果

6.2 靜扭試驗

對取力器輸入軸原方案和改進方案進行靜扭試驗對比，改進后取力器輸入軸的抗扭能力優于原方案，結果如表5所示。

表5 靜扭試驗

6.3 整車試驗

換裝改進輸入軸的夾心取力器，整車完成全部可靠性試驗，通過試驗驗證。

7 結束語

取力器輸入軸斷裂的原因是：扭轉減振器傳遞的扭矩超過極限，未對取力器輸入軸起到過載保護作用；取力器輸入軸花鍵齒根及末端圓角過小，有效硬化層深偏低致使結構強度不足。取力器輸入軸在持續沖擊載荷作用下，扭曲變形后剪切疲勞斷裂。

通過對故障件進行失效模式、材料工藝、有限元計算等方面分析，確認失效原因并提出改進方案，進一步通過計算、試驗驗證解決問題。