重型货车双后桥传动轴扭转断裂的失效分析

来源:山东大学材料液固结构演变与加工作者:李玉婕

本文对重型货车双后桥传动轴的扭转断裂进行了宏观断口、表面感应加热淬硬层与基体的金相组织、场发射扫描电镜断口形貌观察和显微硬度等分析。结果表明,不同结构传动轴的扭转断裂方式不同,其断裂原因与原材料质量、热处理工艺、微观组织以及结构形状有关。通过优化材质、热处理工艺和改进双后桥传动轴的结构设计,可以明显改善其性能指标,满足产品的技术要求。

1、双后桥传动轴的结构功能概述

重型货车一般采用双后桥驱动,如果分别驱动则需要在变速箱上输出两根传动轴或增加一个分动器,这样既笨重、又繁琐。因此,新型重型货车在中桥上设计了传动轴来解决这个问题,从而实现一根传动轴同时驱动两个后桥。图1、图2 分别是重型货车双后桥传动轴的传动部件装配示意图和零件图。传动轴是重型货车中、后桥传递扭矩的重要部件,其大端花键( 即花键Ⅰ) 与法兰盘连接,键槽用于防转; 小端花键( 即花键Ⅱ) 与半轴齿轮内花键连接。传动轴在服役过程中承受较大的扭转和冲击载荷,易产生扭转和弯曲变形,甚至产生裂纹或发生断裂,因此热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)认为其质量优劣直接关系到车辆行驶安全。

双后桥传动轴传动部件装配示意图

图1 双后桥传动轴传动部件装配示意图

双后桥传动轴零件图

图2 双后桥传动轴零件图

2、零件选材及热处理工艺

传动轴材料为42CrMoH,符合GB /T 5216—2004 钢材标准。热处理工序为调质预备热处理和中频淬火最终热处理,热处理技术要求为: 心部为调质组织,调质硬度为33 ~ 39 HRC,表面感应淬火有效硬化层深度为7 ~ 9 mm,表面硬度为H54 ~ 60 HRC,该传动轴静扭屈服扭矩指标要求达到18000 N·m以上。根据图2 所示的零件结构及淬硬层要求,在图3 所示的每个阶段选择合理的功率参数及移动速度,在保证合理的冷却条件的情况下得到合理的淬硬层深,淬火采用PAG 淬火液,液温25 ~ 35 ℃。

双后桥传动轴中频淬火区域划分

图3 双后桥传动轴中频淬火区域划分

3、结论

1) 重型货车双后桥传动轴的失效方式主要是扭转变形与断裂,而其扭转断裂主要有破断面与传动轴轴线垂直和破断面与传动轴轴线成45°角两种类型。

2) 垂直断口传动轴的表面中频感应加热淬硬层金相组织存在屈氏体,硬度较高; 成45°角断口传动轴的表面淬硬层金相组织较细小,但硬度较低。

3) 垂直断口传动轴的断口形貌以解理断裂为主; 而成45°角断口传动轴的断口形貌以韧性断裂为主。这与两种传动轴宏观断口的断裂方式相符合。

4) 通过进一步严格控制钢材质量、优化热处理工艺和改进传动轴的外形结构,可以有效解决现存的技术问题,提高重型货车双后桥传动轴的技术指标,满足用户需求。