EPS助力齒輪軸的失效分析與試驗

向永超 滕海文 楊儒亞 侯富彬 閆世偉

摘? 要：通過前期的有限元分析，驗證了EPS助力齒輪軸的疲勞壽命，結(jié)合臺架試驗和線體檢測，對助力齒輪軸失效問題進(jìn)行了深入的分析。結(jié)果表明：淬火冷卻介質(zhì)和滲碳深度對齒輪軸表面的硬度都有影響，淬火冷卻介質(zhì)對硬度的影響更大，熱處理工藝的變化是引起齒輪軸斷裂的根本原因。

關(guān)鍵字：有限元；齒輪軸；淬火；滲碳

中圖分類號：U270.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ? ? ?文章編號：1005-2550（2024）03-0025-06

The Failure Analysis and Testing of the EPS Assistance Pinion

Abstract： The fatigue life of EPS assistance pinion is verified through the previous finite element analysis. The failure problem of assistance pinion is deeply analyzed combined with bench testing and production line testing. The results show that the quenching cooling medium and the depth of carburizing have influence on the hardness of the assistance pinion surface， the quenching cooling medium has more influence on the hardness， so the change of heat treatment process is the fundamental cause of the fracture of the assistance pinion.

Key Words： Finite Element; Pinion; Quenching; Carburizing

1? ? 前言

目前轉(zhuǎn)向器是汽車上必不可少的一部分，轉(zhuǎn)向器是使車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而改變車輛行駛方向的唯一手段。隨著人們對汽車轉(zhuǎn)向性能要求的提高，日本人首先提出了四輪轉(zhuǎn)向的概念， 并于上世紀(jì)九十年代初期進(jìn)入實用化[1-2]。根據(jù)驅(qū)動方式不同，轉(zhuǎn)向器可以分成機(jī)械式轉(zhuǎn)向器、液壓式轉(zhuǎn)向器、電液式轉(zhuǎn)向器和電動助力轉(zhuǎn)向器（EPS）等，EPS一般是由電機(jī)、控制單元、傳感器和機(jī)械部件等部分組成。由于EPS自身有很多優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域，商用車一般使用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，多采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[3]。馮俊萍、任夏楠、鄧兆祥、張永輝等對EPS的助力特性也進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，也說明了EPS在乘用車方面的優(yōu)勢，好的助力特性能很好地平衡轉(zhuǎn)向靈活性和路感之間的矛盾[4-7]。雖然EPS發(fā)展很快，但也遇到一些問題，乘用車轉(zhuǎn)向器的主要故障是無助力和一邊輕一邊重的問題，同時還有很多其他的問題，比如噪音問題等等[8-9]。

本文以某電動助力轉(zhuǎn)向器助力齒輪軸為研究對象，驗證CAE仿真技術(shù)在其設(shè)計中的應(yīng)用，通過與臺架試驗和線體檢測相結(jié)合，分析了轉(zhuǎn)向器助力齒輪軸破壞的根本原因。

2? ? 助力齒輪軸的疲勞分析

汽車對安全性有較高的要求，一般采用有限壽命設(shè)計準(zhǔn)則。有限壽命設(shè)計可以根據(jù)S-N曲線進(jìn)行設(shè)計，稱為名義應(yīng)力法；也可以依據(jù)ε-N曲線進(jìn)行設(shè)計，稱為局部應(yīng)力應(yīng)變法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力歷程，借助局部應(yīng)力應(yīng)變法分析缺口處的局部應(yīng)力，再結(jié)合S-N曲線、ε-N曲線和線性累計損傷理論等估計結(jié)構(gòu)的壽命；斷裂力學(xué)法是假設(shè)結(jié)構(gòu)本身存在裂紋缺陷，以變形體力學(xué)為基礎(chǔ)，研究含裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)等問題，主要解決工程中低應(yīng)力脆斷的問題，現(xiàn)在已成為失效分析的重要方法之一。

根據(jù)設(shè)計部門的相關(guān)要求，建立雙齒輪電動助力轉(zhuǎn)向器的有限元模型，再根據(jù)Goodman計算公式，對助力齒輪軸的壽命進(jìn)行估計計算。原始模型和CAE分析模型如下：

Goodman計算公式如下所示：

在（1）式中σa表示某點的應(yīng)力幅值，σm表示某點的應(yīng)力均值，σb表示材料的抗拉強(qiáng)度，σa（-1）表示某點的修正應(yīng)力。根據(jù)某點的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，計算得到應(yīng)力幅值和應(yīng)力均值，然后代入公式得到修正應(yīng)力值，從而得到構(gòu)件某點的疲勞壽命值。根據(jù)這個方法，計算得到的助力齒輪軸的最大應(yīng)力605MPa和最小應(yīng)力-720MPa，計算壽命是110（萬次，下稱W次），超過設(shè)計要求值20W次，符合設(shè)計要求。CAE分析云圖如下：

3? ? 轉(zhuǎn)向器的臺架試驗

對初期設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析合格后，在工廠進(jìn)行了樣件生產(chǎn)用于臺架試驗驗證，在3個耐久臺架上對三個轉(zhuǎn)向器總成進(jìn)行耐久試驗，1#臺架運(yùn)行到5.135W次發(fā)生異常，拆解發(fā)現(xiàn)助力齒輪軸疲勞斷裂，齒條斷齒，同時拆開其他2個總成，都發(fā)生異常，說明這是批量問題，試驗結(jié)果如表1所示：

此項目耐久臺架試驗出現(xiàn)問題，主要是這次助力齒輪軸的供應(yīng)商發(fā)生了變更，而且助力齒輪軸損壞較嚴(yán)重，就基于助力齒輪軸展開了一系列的驗證工作，比如表面裂紋、原材料不良、金相等級差、表面硬度不足、滲碳層深不夠和硬度梯度非線性變化等原因。

3.1? ?試驗前性能測試

從工廠拿來新樣件，對正向空載、逆向力和助力特性等參數(shù)進(jìn)行了測試，從而驗證這些參數(shù)都正常，損壞原因不在于此，檢測結(jié)果如表2所示：

3.2? ?線體實際測試

因為生產(chǎn)線體上也有相關(guān)設(shè)備，所以也在線體上對正向空載和助力特性進(jìn)行了測試，具體的測試數(shù)據(jù)如表3所示：

從以上的測試結(jié)果可以看出，這一批助力齒輪軸外觀是沒有問題的，可以正常嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，那就要從微觀角度去檢查了。

4? ? 助力齒輪軸的微觀檢測

經(jīng)過以上的分析和檢測，沒有找到真正的破壞原因，所以就在試驗中心的材料理化部進(jìn)行了相關(guān)的微觀檢測。

4.1? ?助力齒輪軸的金相檢測及端口分析

通過微觀金相檢測，助力齒輪軸表面組織為馬氏體2級，殘余奧氏體2級，碳化物等級2級；芯部組織為低碳馬氏體和鐵素體，組織等級是2級。金相組織等級要求1-4級，實測是2級，符合設(shè)計要求。檢測結(jié)果如圖4所示：

金相檢測后，齒輪軸符合要求，又對助力齒輪軸的斷口位置進(jìn)行分析驗證，齒側(cè)表面呈點蝕形貌，齒根表面也是點蝕形貌，說明耐久試驗形成了點蝕現(xiàn)象，結(jié)果如圖5所示：

4.2? ?助力齒輪軸的熱處理結(jié)果檢測

具體檢測方法是沿法向切開齒輪軸，將會得到滲碳深度和各位置硬度的檢測結(jié)果。滲碳層深從外表面開始檢測，終點的硬度達(dá)到550HV，深度和硬度的檢測結(jié)果都在要求范圍內(nèi)，具體的檢測結(jié)果如表4所示：

4.3? ?助力齒輪軸的元素檢測

最開始懷疑原材料不良，所以也要檢測一下助力齒輪軸材料的元素含量，助力齒輪軸采用20CrMo材料，主要元素含量如表5所示：

經(jīng)過元素檢測后，也可以得到齒輪軸的原材料沒問題，熱處理深度和硬度也滿足要求，接下來對熱處理的硬度梯度進(jìn)行測試。

4.4? ?硬度梯度的檢測

這一部分會采用對比的方法，取一件其他產(chǎn)品的助力齒輪軸與失效件的硬度梯度進(jìn)行對比。沿法向切開齒輪軸，從齒頂中心沿半徑方向測量硬度，間距0.2mm，測量深度2mm，失效件（滲碳深度0.5mm，淬火冷卻油溫度120℃）和對比件（滲碳深度0.5mm，淬火冷卻油溫度60℃），具體測試結(jié)果如表6所示：

將硬度梯度轉(zhuǎn)換成折線圖如圖6所示：

從上圖可以看出，失效件的硬度梯度下降太快，對比件的硬度梯度曲線很平滑，對比件是滿足耐久要求的。基于此結(jié)果，對新供應(yīng)商提出了熱處理工藝的變化要求，新供應(yīng)商給出了2套優(yōu)化方案，優(yōu)化件1（滲碳深度0.5mm，淬火冷卻油溫度60℃）和優(yōu)化件2（滲碳深度0.7mm，淬火冷卻油溫度60℃），對優(yōu)化樣件也做相同的測試。

四種方案的結(jié)果對比如圖7所示，失效件的助力齒輪軸芯部硬度最小，呈現(xiàn)出線性差的特點，優(yōu)化后的兩個樣件硬度梯度達(dá)到了對比件的水平，接下來對新供應(yīng)商的產(chǎn)品進(jìn)行測試驗證。

5? ? 新產(chǎn)品驗證

開發(fā)了新的供應(yīng)商，對新的項目要做好把關(guān)工作，對三種樣件進(jìn)行相關(guān)試驗驗證，分別檢測滲碳深度和齒輪軸的硬度，并做靜扭破壞臺架試驗等等，具體的試驗結(jié)果如下所示：

從以上的測試結(jié)果可以得到，優(yōu)化后破壞載荷都增大了，但滲碳時間加長后，靜扭破壞載荷提升不大且成本較高，失效件無法使用，所以優(yōu)化件1是最合適的選擇。后期與供應(yīng)商一起又做了很多相關(guān)的測試，優(yōu)化件1均可滿足設(shè)計要求，最后與供應(yīng)商達(dá)成一致，采用優(yōu)化件1的熱處理方式。

6? ? 結(jié)束語

本文綜合考慮了助力齒輪軸的硬度梯度、滲碳深度、金相檢測、元素檢測、臺架試驗和線體檢測等，通過排除法分析了齒輪軸失效的原因。在設(shè)計前期根據(jù)圖紙要求，對模型熱處理層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析疲勞工況，滿足設(shè)計要求。通過分析得到以下結(jié)論：1）CAE仿真分析在設(shè)計前期具有很好的指導(dǎo)意義；2）調(diào)整助力齒輪軸芯部硬度后，硬度梯度變化趨勢改善明顯，助力齒輪軸的破壞載荷提升較大，說明助力齒輪軸失效的主要原因是硬度梯度曲線非線性變化；3）齒輪軸增加滲碳層深后，芯部硬度沒有提升，破壞載荷變化不明顯且成本較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]周祥基，錢瑞明. 汽車轉(zhuǎn)向傳動技術(shù)及其發(fā)展[J]. 機(jī)械制造與研究，2004，33：9-12.

[2]王海峰，王文建. 汽車EPS系統(tǒng)原理及整車應(yīng)用要點[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，32：21-24.

[3]楊意品，曹興舉，鞏建強(qiáng). 載貨汽車EPS系統(tǒng)粒子群優(yōu)化模糊控制仿真分析[J]. 制造業(yè)自動化，2016，1（38）：92-96.

[4]馮俊萍，周冰，劉海妹. 電動汽車EPS系統(tǒng)助力特性及其蛇形實驗仿真研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（36）：9900-9904.

[5]張永輝，王悅，陳丁躍等. 電動汽車EPS助力曲線設(shè)計與評價研究[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2016，30（9）：33-37.

[6]任夏楠，鄧兆祥. 汽車EPS助力特性曲線的設(shè)計機(jī)理及幾何特征[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，41（8）：74-79.

[7]任夏楠，鄧兆祥.汽車EPS助力特性設(shè)計方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，33（8）：1225-1232.

[8]尤娜娜，張洪江，楊柳等.汽車EPS偶發(fā)無助力失效分析[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2017，38（2）：63-66.

[9]田冠男，楊晉，謝然等.面向汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)NVH性能的分析與設(shè)計流程[J]. 計算機(jī)輔助工程，2006，15（S1）：134-136.