汽車升降機驅動軸斷裂的分析

□ 蔣 萍 □ 戴衛剛 □ 李鋒寶 □ 張華兵 □ 舒 瑤 □ 蔣正兵

天奇自動化工程股份有限公司 江蘇無錫 214000

1 分析背景

在汽車生產車間,汽車車身一般通過纏繞在汽車升降機滾筒上的皮帶帶動滑架實現上下運輸,滾筒通過脹套與驅動軸相連。驅動軸是汽車升降機動力傳動系統的重要組成部分,如果驅動軸斷裂,將會影響汽車升降機的正常使用,整條生產線可能停工。可見,驅動軸的使用壽命非常有意義。文獻[1-3]通過理化檢驗分析了軸斷裂的主要原因是留有刀痕,或熱處理工藝不合理造成脆性斷裂。文獻[4-5]通過有限元方法分析了三種常用的脹套連接驅動滾筒和三種不同形狀的傳動滾筒。當然,實際情況遠不止加工粗糙那么簡單。汽車升降機傳動滾筒經歷設計、購買原材料、加工、熱處理多個環節,并且采用重載脹套,啟動及停止階段,以及突然停電時的運行情況要比平穩運行情況惡劣。針對汽車升降機驅動軸斷裂,筆者進行宏觀形貌觀察、金相組織識別、化學成分分析、硬度測試等理化檢驗,建立滾筒和重載脹套的受力模型,結合有限元分析,判斷驅動軸斷裂原因,提出改進措施。

2 汽車升降機驅動軸概述

汽車生產線不同高度的轉載處通常設有汽車升降機,汽車升降機驅動系統是控制汽車升降機上升、下降的關鍵設備,主要包括減速電機、聯軸器、驅動軸、滾筒,以及兩端的軸承座等,如圖1所示。減速電機是減速機與電機的集成體,常用于起重設備減速傳動。減速電機與驅動軸之間由聯軸器連接,滾筒內側兩端與驅動軸配合處均有脹套壓緊,使驅動軸和滾筒的轉速保持一致。驅動軸主要承受聯軸器傳遞的扭矩及滾筒上皮帶的作用力等。某項目汽車升降機驅動軸的材質為45號鋼,技術要求調質處理。使用一段時間后,驅動軸突然斷裂,斷口位于脹套與驅動軸銜接處。

3 理化檢驗

3.1 斷口宏觀形貌觀察

驅動軸斷面如圖2所示。從斷口宏觀形貌看,驅動軸發生多裂源疲勞斷裂[6]。驅動軸外邊緣A區為初始裂紋源,形態不規則,沿著脹套3/4圈有撕裂痕跡,這些裂痕取向各異,與減速電機扭轉及皮帶牽引等有關,由橫向和縱向剪切導致。B區面積較大,較為光滑平整,可見貝殼輝紋[7],為擴展裂紋,B區部分放大如圖3所示。C區位于驅動軸中心和邊緣之間,裂紋呈波浪狀,表面非常毛糙,屬于瞬斷裂紋。D區有紅棕色氧化層,45號鋼主要成分是鐵,長期暴露在潮濕的空氣中會生成紅棕色氧化鐵,判斷可能是疲勞斷裂過程中產生的。

3.2 斷口金相組織識別

斷口金相組織如圖4所示。在100倍光學金相顯微鏡下觀察組織結構,邊緣及距離邊緣30 mm處的金相組織均為珠光體和鐵素體[8],鐵素體呈細針狀和帶狀傾向,這種帶狀組織缺陷有向中心部位增大的趨勢,使鋼材的組織不均勻,產生呈各向異性,影響鋼材的性能,使鋼材容易變形。另一方面,從邊緣向中心部位未發現明顯的回火索氏體。在500倍光學金相顯微鏡下觀察,鐵素體基體內沒有分布均勻的細小碳化物顆粒,即未見回火索氏體,說明45號鋼并非調質處理。

3.3 化學成分分析

金相組織反映了驅動軸內部晶體結構。未出現大小均勻的回火索氏體金相組織,原因可以從內因和外因兩方面進行分析,對應驅動軸的化學成分和熱處理情況。

筆者取幾處斷裂驅動軸試樣,經光譜儀檢測,得到驅動軸的化學成分,見表1。相對標準偏差最大值不超過5%,說明檢測精度可信,可知采購的45號鋼材質沒有問題。

3.4 硬度測試

45號鋼調質處理后的硬度與截面尺寸、高溫回火溫度、回火穩定性等有關,因此,硬度測試也能評估驅動軸調質處理是否合理。受條件限制,采用洛氏硬度(HRC)測試儀檢測,檢測結果見表2。在驅動軸試樣起始位置584 μm處用金剛石壓頭加載1 500 N,保持5 s,通過驅動軸試樣表面壓痕深度計算驅動軸的實測洛氏硬度(HRC)約為13。查機械手冊可知直徑200 mm以內的45號鋼軸調質處理后的布氏硬度(HB)為 217～255,換算為洛氏硬度(HRC)最小約為18。對比可知,驅動軸硬度不達標,說明調質處理不合格。

表1 驅動軸成分

表2 驅動軸硬度檢測結果

4 驅動系統數值分析

4.1 滾筒受力模型

升降機上皮帶沿作用弧的張力在極坐標中呈對數螺旋線分布[9]。滾筒上皮帶受力如圖5所示。結合圖5,根據歐拉公式,有:

Sj/Ss≤eμα

(1)

式中:Sj為皮帶緊邊拉力;Ss為皮帶松邊拉力;μ為皮帶與滾筒之間摩擦因數;α為滾筒上皮帶圍包角。

對于圍包角中的任意一個角度β,滾筒上的正壓力P為:

(2)

式中:S為皮帶角β處的拉力;r為滾筒半徑;b為皮帶寬度。

另外,根據正壓力也可以計算出滾筒表面與皮帶的摩擦力。

4.2 脹套模型

脹套分為多種類型,其中Z12型脹套主要用于重載場合。某升降機驅動系統中Z12型脹套如圖6所示,可知Z12型脹套主要包括兩個內環、一個外環,內外環間通過螺栓預緊。脹套右側內環受力和外環受力分別如圖7、圖8所示。脹套的兩個內環均與軸配合,如果外環的內表面和軸接觸,則會出現過定位,不利于脹套的使用。現場實物發現外環內表面與軸尚有一較小間隙,因此外環與軸不直接產生作用力。

Pa為螺栓擰緊過程中產生的預緊力,是消除脹套與被連接件配合間隙所需的夾緊力及配合面間產生一定壓強所需的有效夾緊力之和。F1為軸對脹套內環的正壓力N1和內環與軸間摩擦力f1的合力,F2為脹套外環對內環正壓力N2和內外環之間摩擦力f2的合力,f1與F1的夾角為θ,內外環配合面與Pa的夾角為φ。運動時脹套與軸、滾筒相對靜止,為了方便計算,考慮鋼與鋼摩擦,靜摩擦因數均取0.12,即f1為0.12N1,arctanθ為0.12,由力平衡關系[10]可得:

(3)

(4)

式中:Rl為每個脹套與滾筒接合面上的實際壓強;D為脹套外徑;h為脹套外環高度。

(5)

式中:Rz為每個脹套與軸接合面上的實際壓強;d為脹套內徑;l為脹套內環高度。

另外,可以根據脹套承載能力判斷實際選型是否合理[11]。

mMz≥M

(6)

式中:m為根據脹套使用情況選擇的載荷因數,兩脹套為獨立使用,并非串聯使用,查表知m取1;Mz為單個脹套的額定轉矩;M為實際最大轉矩。

(7)

式中:Fz為單個脹套的額定軸向力;Fx為實際最大軸向力。

(8)

式中:Pz為單個脹套與軸配合面上的許用壓強;Fr為實際最大徑向力。

(9)

式中:Dl為與脹套相連的滾筒法蘭盤外徑;σs為滾筒材質屈服強度;Pl為單個脹套與滾筒接合面上的許用壓強;C為根據脹套滾筒接合形式選取的因數,滾筒內側有限位臺階,C取0.8。

4.3 有限元分析

根據與脹套配合的驅動軸段直徑和負載情況,選擇Z12型脹套的尺寸為140 mm×190 mm,查JB/T 7934—1999《脹緊聯結套 型式與基本尺寸》,可知額定轉矩為59 kN·m,減速電機輸出扭矩為6.69 kN·m,滿足式(6)的要求。另外,經過計算得到脹套符合式(7)、式(8)的要求,由式(9)得Dl不小于298 mm。已知滾筒法蘭盤外徑為338 mm,所以脹套選型合理,連接可靠。脹套主要載荷見表3,可用于后續分析。

表3 脹套主要載荷

近年來,數值模擬受到青睞,可以方便設計人員找出設計問題[12-14]。筆者擬對簡化的汽車升降機驅動系統進行有限元分析。

汽車升降機驅動系統共有四根皮帶,兩根在驅動側,連接滑架與配重,兩根連接驅動側的配重與從動側的滑架,圍包角為180°,皮帶寬為0.25 m。正常運行時,減速電機輸出扭矩恒定,滾筒受力均勻。突然停電時,減速電機啟動抱閘制動器,工況要比正常停止時惡劣,因而針對停止工況分析時選急停工況更為合適。

對簡化的汽車升降機驅動系統進行網格劃分。脹套內環采用掃略網格,其它零部件采用六面體網格,大大減少了單元生成的數量,并采用Solid186單元模擬實體。汽車升降機驅動系統網格劃分如圖9所示。在軸承座和驅動軸的配合面處施加約束[15],脹套和滾筒法蘭盤、驅動軸之間分別建立接觸對,滾筒法蘭盤和滾筒外圈為焊接結構,可看作一體。在滾筒表面施加載荷時,通過Function函數定義變載荷。啟動狀態和正常工作時,施加扭矩方向與滾筒受到的切向摩擦力方向相反。急停時,減速電機輸出抱閘扭矩,阻止驅動軸繼續轉動,因而扭矩施加方向與滾筒受到的切向摩擦力方向相同。

汽車升降機驅動系統啟動時、正常工作時、急停時的等效應力云圖依次如圖10、圖10、圖12所示。汽車升降機驅動系統最大等效應力產生在脹套上,位于和驅動軸的外配合處,急停時數值最大,為493.83 MPa。脹套為外購件,材質一般為合金結構鋼,加工精度高,所以通常先損壞的是驅動軸。正常工作時,驅動軸與脹套銜接處局部等效應力最大,為330.28 MPa。啟動時,驅動軸相應部位最大等效應力為346.43 MPa。隨著使用時間的增加,如果聯軸器不能保證及時潤滑,也會產生不同程度的附加載荷。雖然車間突然停電的概率很低,但是從分析結果看,驅動軸局部最大等效應力達到358.83 MPa,根據GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》,45號鋼的屈服強度為355 MPa,此時驅動軸的最大等效應力已經超過極限值,應力集中處容易形成初始裂紋源。由于汽車升降機驅動系統在高空運轉,需要登上安裝平臺才能進行觀察,因此很少及時發現問題。

限于篇幅,筆者僅分析急停時驅動軸的變形。如圖13所示,最大變形位于軸中間,約為1.306 9 mm。對于一般用途的傳動軸,允許撓度約為1.43 mm[16],因此驅動軸的撓度滿足條件。汽車升降機驅動系統兩側有軸承座約束,并且受到皮帶和減速電機的作用力,運用自由模態模擬可能比較欠缺,對此考慮運用Pre-Stress模態分析前六階振型,前六階模態頻率見表4。一階模態固有頻率為117.43 Hz,汽車升降機驅動系統采用四極電機,換算得到臨界轉速為3 522.9 r/min,遠超電機的最大輸出轉速31 r/min,可知驅動系統不會出現共振現象。

表4 汽車升降機驅動系統前六階模態頻率

裂紋對驅動軸疲勞壽命的影響如圖14所示。有裂紋的45號鋼驅動軸性能要比光滑無裂紋的驅動軸差,疲勞壽命約為無裂紋時的1/25。從理論上分析,一開始裂紋很小,經反復啟動停止等高負荷工作,驅動軸會產生疲勞裂紋擴展,積累到一定程度,導致驅動軸最終斷裂,與驅動軸實際斷裂情況基本一致。

查閱機械手冊可知,當驅動軸的直徑為100～300 mm時,40Cr鋼調質處理后的屈服強度為500 MPa,滿足強度要求。兩種材質驅動軸溫度與最大等效應力關系曲線如圖15所示。由圖15可知,40Cr鋼和45號鋼的彈性模量等物理性能相近,當施加相同載荷時,兩種材質驅動軸的最大等效應力隨溫度改變較小,從而可知驅動軸斷裂與溫升關系不大。兩種材質驅動軸應力與疲勞壽命的關系曲線如圖16所示。由圖16可知,40Cr鋼的疲勞壽命明顯優于45號鋼,加上調質處理改善了驅動軸的綜合機械性能,在不增大驅動軸半徑,保證加工精度的情況下,選用40Cr鋼并調質處理,能改善驅動軸易斷裂的現狀,從而延長使用壽命。

5 結束語

針對汽車升降機驅動軸斷裂,筆者通過化學成分分析證明汽車升降機驅動軸材質為45號鋼,從斷口金相組織識別和硬度測試結果判斷為驅動軸材質調質處理不合格。通過建立滾筒和脹套的數學模型,分析汽車升降機驅動系統,顯示驅動軸處于高負荷工作狀態。對此,建議驅動軸材質選擇性能更好的40Cr鋼,經調質處理,改善易疲勞斷裂的情況,以保證汽車升降機驅動軸的正常使用。