某驱动桥半轴套管断裂分析和优化设计

某驱动桥半轴套管断裂分析和优化设计

发表时间：2018-10-29T10:11:01.057Z 来源：《知识-力量》2018年11月上作者：张瑞华穆玉峰[导读] 后桥是汽车的关键零部件，起着承受载荷和扭矩的作用，一旦出现断裂，将严重影响乘客的生命安全，故对其失效模式分析尤为重要。本文对一款新型后桥在道路试验过程中发生半轴套管断裂的失效模式进行分析，通（精诚工科汽车系统有限公司，河北保定 071000）

摘要：后桥是汽车的关键零部件，起着承受载荷和扭矩的作用，一旦出现断裂，将严重影响乘客的生命安全，故对其失效模式分析尤为重要。本文对一款新型后桥在道路试验过程中发生半轴套管断裂的失效模式进行分析，通过材质检测及理论计算，对失效因素进行排查。最终找到失效原因，并提出改进措施，避免再次失效，对提高汽车的安全性意义重大。关键词：驱动桥；半轴套管；断裂

引言

驱动桥壳起着支撑汽车载荷的作用，同时还要承受制动载荷、静载荷所引起的较大弯矩和扭矩。一旦桥壳出现断裂，将会影响整车安全，故对桥壳断裂失效模式分析意义重大。现某公司有一款新设计后桥在搭配汽车进行道路试验可靠性试验过程中，行驶至强化路的石坏路时，左后驱动桥半轴套管发生断裂，需立刻分析原因并制定整改措施，避免再次失效断裂。

1、基本情况

某厂生产的两根不同批号的汽车半轴套管在使用过程中发生断裂，断裂情况类似，均发生于中的R2.5mm过渡圆角处。对其中一件半轴套管进行了断裂分析。图纸要求半轴套管采用45Mn2钢管生产，产品硬度要求为220~270HBW。

2、加工工艺分析

将该桥的未断裂边拆解后，需对轮毂内轴承颈R角进行测量为4mm，设计要求为4～4.4mm，故该内轴承颈R角是符合设计要求，但在R 角根部与轴承颈之间存在一台阶，此台阶在设计中是不存在的，此处R角仅有1mm，将会引起应力集中，容易产生裂纹。针对台阶产生的问题进行一番调查后，发现是由于轴承颈需要经过粗车-精车-磨削三个步骤，在实际操作中，磨削轴承颈时并未磨轮毂内轴承颈R角，导致产生台阶。

3、理化检验

3.1、宏观断口分析

半轴套管的宏观断口形貌，断口上呈现明显的贝壳纹花样，是典型的疲劳断口。断口上有2条相对的疲劳纹，疲劳裂纹均起源于套管外表面。整个套管表面有多个疲劳源，随着裂纹的扩展每个疲劳源的疲劳弧线逐渐合并成一条向前扩展。疲劳裂纹扩展深度最深为6.2mm，最浅为2.0mm，扩展区面积约占整个断口面积的10%，其余为一次性快速断裂区，无剪切唇，呈脆性断裂形貌。从宏观断口的特征可以看出这是一个不对称的双向弯曲疲劳断口。

3.2、微观断口分析

对断口进行了扫描电镜观察，疲劳辉纹清晰可见，试样断口疲劳源处的低倍形貌见图1；试样快速断裂区的微观形貌，呈典型的脆性解理断裂特征，并有大量的二次裂纹。

图1端口疲劳源处的地貌形象

3.3、金相组织及硬度

在断裂源处切割试样并进行金相分析，其金相组织为片状珠光体+网状铁素体，网状铁素体组织显示晶粒粗大，按GB/T6394—2002《金属平均晶粒度测定法》评定为2.5级。试样的硬度为248HBW，符合技术要求。

3.4、尺寸检查

因裂源位于圆角处，故对圆角位置的加工情况和圆角尺寸作了检查。圆角处可见粗糙的车削刀痕。实际测得圆角半径为1.35mm，远小于设计要求的2.5mm。

4、分析

从宏观断口分析可知，该半轴套管断口是一高应力集中的双向弯曲疲劳断口。半轴套管两侧疲劳裂纹扩展区的面积大小不一致。半轴套管与后桥壳是通过焊接连接为整体。汽车行驶时，半轴套管位于桥壳上方钢板弹簧座一侧，其受力较小，在应力小的一侧疲劳裂纹扩展区面积也较小。该断口瞬时断裂区的面积较大，说明半轴套管承受的载荷较大或材料本身脆性较大。

对R角的检验结果说明R角尺寸小于原设计要求，这使R角处的应力集中程度增大。同时，由于R角处粗糙的车削刀痕使此处表面出现许多的凹槽和尖角，这些缺陷会引起较高的应力集中现象，促进疲劳源的萌生。其次，由于热处理工艺控制不严，造成半轴套管圆角过渡处的组织为珠光体和网状铁素体，且晶粒粗大（2.5级）。一般来说，即使在相同的硬度条件下，粗大的晶粒将导致材料脆性增加，大大降低材料的疲劳强度。断口瞬断区的显微形貌也证明了材料呈脆性。

5、改进方案

根据计算结果发现汽车受最大侧向力时，A-A，B-B截面安全系数过低，故选取45号钢与40Mn2的力学性能对比，40Mn2的抗拉强度为885Mpa，能满足在汽车受最大侧向力时的强度要求，故首先需将半轴套管材质更换为40Mn2；考虑到磨削R角要考虑到砂轮的损耗，要随时调整砂轮，生产效率低，为此处轴承颈采用新型滚压工艺，代替原先的磨削工艺，避免了产生台阶造成应力集中；改进方案理论上是能满足要求，现对该桥进行台架试验进一步验证改进效果。

6、改进方案

台架试验验证按照改进方案，对该款后桥又重新制作五件样件进行台架疲劳寿命试验，试验结果分别为80.5万次，78.8万次，78.6万次，86.2万次.82.5万次，很明显后桥壳总成疲劳寿命达到了国家标准水平(最低寿命不能低于50万次，平均寿命不能低于80万次)，与理论计算结果一致，可以投入生产。

结论及建议

该桥半轴套管断裂是由于多种原因造成，主要原因有以下几点：（1）设计的半轴套管材质性能低于汽车受最大侧向力工况下的受力，是导致后桥壳总成半轴套管原因之一；（2）半轴套管硬度低于图纸要求，金相组织超出标准，导致套管强度较低，加大半轴套管断裂风险；（3）内轴承颈R角处存在台阶，造成应力集中，引起半轴套管产生裂纹，随之产生断裂。根据以往的设计经验和理论及实验分析，给出以下几点建议：（1）后桥设计前期应考虑各种路况下的材料强度是否能满足要求，避免造成后桥断裂失效；（2）需加大外购件检测力度和抽查频次，避免不合格品的流入生产线；（3）机加工桥壳时应注意桥壳半轴套管各档R角，磨削时应磨削R角，避免在R角根部产生台阶造成的应力集中；（4）对桥壳R角磨削会降低生产效率，可采用新型滚压加工工艺代替磨削，提高生产效率，同时能保证各项尺寸精度。

参考文献

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