十字軸裂紋產(chǎn)生原因分析

張煥可

摘要：萬向節(jié)十字軸作為是汽車傳動(dòng)設(shè)備上的一個(gè)零部件，對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)都起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)車輛自身負(fù)荷變化后，尤其是當(dāng)車輛在路況不好時(shí)行駛會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的跳動(dòng)及顛簸等因素，這些情況均會(huì)引起變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋主減速器輸入軸之間的夾角和距離發(fā)生變化，而萬向節(jié)十字軸則解決了這個(gè)以變應(yīng)變的問題。同時(shí)也正是由于萬向節(jié)十字軸的這種核心作用致使其極易產(chǎn)生裂紋、剝落、甚至斷裂等失效情況，從而降低了其自身的疲勞壽命。本文就萬向節(jié)十字軸失效情況展開討論并針對(duì)影響其疲勞壽命的因素進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，同時(shí)也為相關(guān)從業(yè)人員提供一些參考。

關(guān)鍵詞：萬向節(jié)十字軸;失效;疲勞壽命;原材料缺陷;加工工藝;潤滑油脂

1 ?十字軸結(jié)構(gòu)及作用

十字軸還可以稱之為十字節(jié)，與萬向節(jié)叉配合構(gòu)成車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件（如圖1）。通過十字軸在萬向節(jié)叉內(nèi)的往復(fù)擺動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)變角度方向的動(dòng)力傳動(dòng)，還可以改變傳動(dòng)軸線的位置。同時(shí)車輛通過這樣的動(dòng)力傳遞方式還可以消除其在路面上的顛簸，因此在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位。

2 ?原材料缺陷對(duì)十字軸失效的影響

從十字軸產(chǎn)生裂紋的外觀特征分析，可能與原材料鋼錠的缺陷有關(guān)。金屬材料學(xué)及熱處理中可知，當(dāng)鋼錠在加熱到1200這個(gè)溫度范圍時(shí)，其自身存在的缺陷極易發(fā)生氧化現(xiàn)象，再者由于鋼內(nèi)部都含有一定的錳和鈦等元素，而在加熱時(shí)熱氣中的硫及空氣中含有大量的氮的共同作用下，使得其在缺陷處很容易作用成氮化鈦及硫化錳。再者由于后期鋼錠模粗糙或清理不到位，也會(huì)致使在后期鋼錠脫模空冷時(shí)形成裂紋。再者，后期的鍛造工藝參數(shù)選用不合理也會(huì)造成材料出現(xiàn)缺陷及裂紋。比如鍛造溫度、鍛造時(shí)的變形速度、冷卻速度及應(yīng)力狀態(tài)等這些因素都會(huì)造成材料出現(xiàn)裂紋及缺陷。尤其是鍛造時(shí)選取的溫度高低及加熱的時(shí)間長(zhǎng)短影響最為突出。因?yàn)椋绻懺鞎r(shí)溫度過高或加熱時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)使合金內(nèi)部晶粒粗大，同時(shí)也加劇了與熱爐中的氧沿晶界進(jìn)入發(fā)生氧化，使晶界的結(jié)合力大打折扣即合金的塑性變形能力大大降低，那么也就造成了鍛造時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋及應(yīng)力變形的情況。

3 ?合理科學(xué)的加工工藝對(duì)十字軸裂紋產(chǎn)生的影響

在十字軸的磨削加工工藝中，總是會(huì)出現(xiàn)裂紋尤其是會(huì)集中在軸肩端面處（如圖2）。經(jīng)過多次不斷的改進(jìn)磨削各加工參數(shù)并進(jìn)行了數(shù)次試驗(yàn)和驗(yàn)證后，證明了引起磨削加工時(shí)所產(chǎn)生的裂紋其主要原因是磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱。

我們知道十字軸在進(jìn)行滲碳處理時(shí)，在其滲層組織中極易形成網(wǎng)狀碳化物或者出現(xiàn)大量的游離狀碳化物。那么這就造成了其硬度非常之高，于是在磨削時(shí)當(dāng)軸面與砂輪接觸時(shí)就會(huì)在瞬間產(chǎn)生極高的溫度，致使十字軸面出現(xiàn)局部溫度過高或發(fā)生表面回火的現(xiàn)象，從而使金相組織也隨之發(fā)生變化。同時(shí)，由于受目前磨削技術(shù)限制，磨削時(shí)的切削液做不到完全、充分的冷卻，即冷卻不到切削區(qū)，那么表面層就不會(huì)產(chǎn)生二次回火因此最終的結(jié)果就是熱塑性變形占據(jù)主導(dǎo)地位。也正是由于這種塑性變形的存在使其磨削后存在殘余的拉應(yīng)力，即引起了裂紋的產(chǎn)生。鑒于此，我們要想解決這個(gè)殘余應(yīng)力問題即降低磨削熱就成了我們間接解決磨削裂紋問題的方法。首先，要選擇硬度合適的砂輪磨料，要求磨料硬度高，并且要有很強(qiáng)的抗彎強(qiáng)度和耐熱性。其次，選擇濕磨的方法。即采用冷卻系統(tǒng)來降低磨削區(qū)溫度，并要求冷卻液不僅可以有效的降低磨削時(shí)的溫度還要具有及時(shí)沖洗磨削雜質(zhì)的能力。而且冷卻液內(nèi)最好要加裝過濾裝置，以避免雜質(zhì)損傷軸面產(chǎn)生裂紋。最后，合理選擇磨削時(shí)砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度及工件進(jìn)給速度。砂輪轉(zhuǎn)速要低，工件的轉(zhuǎn)速要相對(duì)較高但進(jìn)給量要小，從而降低磨削熱量提高磨削質(zhì)量。

4 ?潤滑油脂的選用

潤滑油脂的作用是分開十字軸表面和滾針的一層油膜（如圖3）。

它對(duì)潤滑萬向節(jié)軸承是十分重要的。因?yàn)椴粌H可以起到潤滑、降低摩擦和減小裂紋的作用，還可以助力汽車傳動(dòng)軸輸送不斷變化的速度、載荷并最大限度的消除汽車的顛簸感。那么，在選用油脂時(shí)除了要滿足其可以分離滾針和十字軸表面這個(gè)條件之外，還要保證油脂的潔凈度即降低其污染程度。因?yàn)槿绻麧櫥椭谢烊胗泄腆w污染顆粒或雜質(zhì)同樣會(huì)使十字軸表面與滾針發(fā)生極大摩擦，造成十字軸磨損甚至滾針崩裂等嚴(yán)重后果。所以，這就要求在裝配時(shí)十字軸和油封座之間必須加裝油封（如圖4）。因?yàn)椋头饪梢园褲櫥椭o密的封存在油封座內(nèi)，尤其是當(dāng)車輛經(jīng)過涉水路面，可以有效的防止水、泥沙及油污等進(jìn)入十字軸內(nèi)。

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