郭磊，原孝菊（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型客車傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓斷裂問(wèn)題分析及優(yōu)化

郭磊，原孝菊
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

摘 要：文章主要通過(guò)對(duì)某輕型客車中間支架安裝螺栓斷裂問(wèn)題進(jìn)行分析，找出斷裂產(chǎn)生的原因，并制定相應(yīng)的整改方案，最后對(duì)整改方案進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，證明措施是有效的。通過(guò)本次故障分析和整改，了解可能導(dǎo)致傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓斷裂的因素，為解決同類問(wèn)題和后期傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓開(kāi)發(fā)提供可供參考的思路。

關(guān)鍵詞：動(dòng)平衡；頻率；扭矩

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.10.043

CLC NO.: U469.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)10-120-04

引言

傳動(dòng)軸作為底盤的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)部件，其在不同軸心的兩軸間甚至在工作過(guò)程中相對(duì)位置不斷變化的兩軸間傳遞動(dòng)力，對(duì)于車輛的行駛安全性至關(guān)重要。傳動(dòng)軸中間支架主要起到傳動(dòng)軸前后節(jié)的連接及支承作用，同時(shí)起到一定的位移補(bǔ)償功能。傳動(dòng)軸中間支架通過(guò)螺栓與車身連接，在車輛行駛過(guò)程中一旦螺栓斷裂，高速旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)軸將無(wú)法傳遞動(dòng)力，甚至造成傳動(dòng)軸損壞、發(fā)生事故等。

文中針對(duì)國(guó)內(nèi)某輕型客車傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓在低速甚至靜止?fàn)顟B(tài)突然發(fā)生斷裂現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)傳動(dòng)軸振動(dòng)、螺栓安裝預(yù)緊力及螺栓本身的性能等方面，分析導(dǎo)致該傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓斷裂的原因并整改。同時(shí)通過(guò)對(duì)傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓斷裂的分析，探究其故障原因，為后期傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1、傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓斷裂分析

本次研究的某輕型客車傳動(dòng)軸中間支架是通過(guò)螺栓與車身連接的，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：

現(xiàn)場(chǎng)反饋，部分車輛在試驗(yàn)跑道上低速行駛過(guò)程時(shí)甚至部分車在靜止時(shí), 傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓出現(xiàn)突然斷裂現(xiàn)象。接到故障反饋后，立即著手對(duì)故障件進(jìn)行分析。根據(jù)螺栓的受力特點(diǎn)分析，產(chǎn)生斷裂的原因可能有下述幾種：

（1）傳動(dòng)軸動(dòng)平衡不合格，造成傳動(dòng)軸的振動(dòng)，引起中間支架安裝螺栓斷裂；

（2）傳動(dòng)軸的1階模態(tài)頻率低于傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率，共振引起的中間支架安裝螺栓斷裂；

（3）螺栓的安裝扭矩設(shè)計(jì)不合理，造成螺栓的軸向力過(guò)大，導(dǎo)致螺栓被拉伸變形，最終出現(xiàn)斷裂，且扭矩出現(xiàn)衰減；

（4）螺栓本身不合格。

上述4種情況中任意兩種或兩種以上同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生斷裂。下文中將逐個(gè)驗(yàn)證上述各因素對(duì)螺栓斷裂的影響，排除干擾因素，從而找到主因，并實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1.1 傳動(dòng)軸動(dòng)平衡檢測(cè)

為了判定傳動(dòng)軸動(dòng)平衡是否滿足使用要求，我們對(duì)故障車及生產(chǎn)廠家現(xiàn)場(chǎng)的傳動(dòng)軸隨機(jī)抽取進(jìn)行了動(dòng)平衡檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1：

表1　傳動(dòng)軸動(dòng)平衡檢測(cè)結(jié)果

從檢測(cè)結(jié)果可以看出來(lái)，故障車及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取的樣件傳動(dòng)軸動(dòng)平衡符合設(shè)計(jì)要求。

1.2 傳動(dòng)軸頻率校核

為了判定傳動(dòng)軸動(dòng)頻率是否滿足使用要求，我們對(duì)故障車的傳動(dòng)軸頻率進(jìn)行了檢測(cè)，并與理論值進(jìn)行比較。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2和表2：

表2　傳動(dòng)軸頻率檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)傳動(dòng)軸的布置形式，如圖3所示，分別根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最高車速計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速，取其中最小值為傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速。

一是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速

式中

n0為臨界轉(zhuǎn)速；

nmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速；

i0為最高檔變速器傳動(dòng)比。

另一種是根據(jù)最高車速：

式中

Vmax為最高車速；

r為輪胎滾動(dòng)半徑；

ig為主減速器傳動(dòng)比。

已知發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4500r/min，最高車速為150km ／h，最高檔變速器傳動(dòng)比為0.794，主減速器傳動(dòng)比為4.875，輪胎半徑為326mm，計(jì)算得臨界轉(zhuǎn)速分別為5668r/min和5953r/min，因此傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速為5668r/min，對(duì)應(yīng)1階模態(tài)頻率為95Hz。

通過(guò)以上校核可以發(fā)現(xiàn)，故障車輛傳動(dòng)軸的實(shí)際頻率遠(yuǎn)大于計(jì)算值，因此傳動(dòng)軸工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象導(dǎo)致傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓斷裂。

1.3 安裝扭力校核

傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓設(shè)計(jì)裝配扭矩為22-27 N·m，根據(jù)裝配扭矩校核螺栓承受的最大應(yīng)力，

Tf=K×Ff×d

K=Tfmin/Tfmax

表3

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，螺栓承受的最大預(yù)緊力Ff=21250N σ=1.3×Ff/As

As=π/4((d2+d3)/2)2

d3=d1-H/6

H=0.866p

表4

計(jì)算得到的傳動(dòng)軸吊掛螺釘所承受的最大應(yīng)力σ =754.6MPa＜螺釘?shù)淖钚】估瓘?qiáng)度σbmin=800MPa（緊固件螺栓、螺釘和螺柱的機(jī)械性能GB/T 3098.1規(guī)定），設(shè)計(jì)裝配扭矩滿足要求，不會(huì)造成安裝螺栓斷裂。

隨機(jī)抽取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的15臺(tái)車輛對(duì)其傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓的裝配扭矩進(jìn)行檢測(cè)，并在試驗(yàn)跑道上試跑一圈后復(fù)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5：

表5　傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓裝配扭力檢測(cè)

從上述數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)場(chǎng)裝配扭矩全部在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，不會(huì)造成安裝螺栓斷裂。經(jīng)過(guò)試跑后，扭矩雖然出現(xiàn)一定衰減，但也符合設(shè)計(jì)要求。

1.4 螺栓本身性能檢測(cè)

1.4.1 故障件斷口分析

電鏡掃描螺栓斷面，斷口為冰糖狀，斷裂方式為沿晶脆性斷裂，見(jiàn)圖4：

1.4.2 螺栓材料成分分析

圖紙要求螺栓材料為SWRCH18A，對(duì)故障件的材料成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6：

表6　螺栓材料成分分析表

從以上檢測(cè)結(jié)果可以看出，C含量偏高，不符合螺栓圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

1.4.3 螺栓金相分析

對(duì)故障件進(jìn)行金相試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7：

表7　螺栓金相分析表

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，螺釘芯部金相組織為細(xì)小低碳馬氏體，表面組織為細(xì)小回火馬氏體，有過(guò)燒現(xiàn)象，易使螺釘產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。

1.4.4 表面處理

傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓表面鍍層為鋅鍍層，本身存在氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

2、優(yōu)化改進(jìn)

2.1 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析，我們針對(duì)傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓車輪螺栓斷裂問(wèn)題提出如下改進(jìn)優(yōu)化措施：

（1）對(duì)傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓的生產(chǎn)工藝和后處理工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證螺栓成品的C含量符合圖紙對(duì)螺栓材料成分的設(shè)計(jì)要求；

（2）將傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓由專用件更換成標(biāo)準(zhǔn)件，保證傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓的一致性和裝配性能；

（3）螺栓增加彈性墊圈，防止出現(xiàn)扭矩衰減；

（4）將螺栓表面鍍層由鋅鍍層更改為鋅鋁鉻鍍層，避免鋅鍍層存在的氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

注：傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓為專用件，對(duì)生產(chǎn)工藝和后處理工藝優(yōu)化成本較高，故未實(shí)施。

2.2 改進(jìn)后的實(shí)施效果

（1）對(duì)更換的標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行理論校核，滿足傳動(dòng)軸中間支架安裝的需求；

（2）對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝配的車輛進(jìn)行持續(xù)跟蹤，連續(xù)跟蹤6個(gè)月，現(xiàn)場(chǎng)未再出現(xiàn)螺栓斷裂問(wèn)題；

（3）在2輛試驗(yàn)車上進(jìn)行可靠性路試，期間每3000公里對(duì)螺栓進(jìn)行檢查并檢測(cè)裝配扭矩，經(jīng)過(guò)3萬(wàn)公里路試后，螺栓完好，未再次出現(xiàn)斷裂問(wèn)題，裝配扭矩也未出現(xiàn)衰減。

3、結(jié)論

通過(guò)以上分析，最終得出如下結(jié)論：

（1）本次研究的某輕型客車傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓斷裂問(wèn)題主要是由螺栓材料、金相組織不滿足要求引起的；

（2）通過(guò)對(duì)整改措施的試驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明整改是有效的；

（3）通過(guò)本次故障分析及整改，我們了解了傳動(dòng)軸中間支架安裝螺栓在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮的因素包括：

1）傳動(dòng)軸工作中由動(dòng)不平衡、傳動(dòng)軸本身的頻率引起的振動(dòng)；

2）螺栓本身的性能要求；

3）螺栓螺紋摩擦系數(shù)和支撐面摩擦系數(shù)；

4）轉(zhuǎn)配扭矩；

5）扭力衰減。

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Analysis and optimization of bolt fracture in the middle bracket of a light bus transmission shaft

Guo Lei, Yuan Xiaoju
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Abstract:This paper mainly analyse the middle bracket of a light-duty passenger vehicle installation bolt fracture problems, and find out the causes of the fracture, and formulate the corresponding improvement scheme. Finally, the rectification scheme for actual product are effective. Through the failure analysis and corrective, we know the factors that may lead to shaft bracket installation bolt fracture, and provide reference idea development for solving the similar problems and late middle shaft bracket mounting bolts.

Keywords:Dynamic balance; frequency; torque

作者簡(jiǎn)介：郭磊，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

中圖分類號(hào)：U469.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2015)10-120-04