轻型汽车后桥半轴断裂件的组织及断口特征Word下载.docx

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用于轿车或轻型车辆。

3/4浮式半轴除承受扭矩外，还承受侧向力所产生的弯矩。

纵向力和垂直力均有桥壳承受。

但如果车轮的中心与装在桥壳上的轴承中心不重合而由一段距离时则垂直力、纵向力就会对轴承中心处产生弯矩。

这个弯矩仍然有半轴承受，然而这个弯矩比半浮式半轴承受的垂直力和纵向力产生的弯矩要小得多.3/4浮式半轴仍然用于轿车和轻型车辆上。

对于我们的微型汽车用于载重量很小传递扭矩也很小.所以在合理的半轴结构情况下,采用半浮式是能够承受得了上述各种载荷的。

从另一种观点来看，半浮式结构简单适合于微型车辆。

因为微型汽车重要的是采用结构紧凑和小尺寸.如果结构不紧凑会使尺寸加大。

结构简单能够保证紧凑。

因而汽车采用了半浮式半轴是比较合理的,如图1所示。

图1

第三章后桥半轴的力学分析

3.1新型1.8T货车后桥半轴力学强度分析所用微型车的参数如下：

整车设计参数（具体参数见附录）

空载

满载

总质量（kg）

1170

1800

轮距:

前/后（mm）

1430/1425

轴荷

1170kg

1800kg

重心高度

540mm

651mm

最大速度（km/h）

145

轴距（mm）

2620

车轮滚动半径（mm）

273

装用DA465Q系列和DA465Q—1A系列发动机,最大功率为38。

5KW/5200rpm，最大扭矩为83N·

mm/3000—3500rpm。

装配五档变速箱，五档状态1档到5档的速比分别为：

3。

652,1.948，1.424，1。

000，0。

795，3.446。

后桥图纸和数模，两钢板弹簧中心距离为900mm,轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离为50mm（195/65R15），或者轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离为45mm（185/80R14），车轮滚动半径273mm.

1）后桥主减速比为4。

778（43：

9）

2）基本型为带ABS状态,有不带ABS的改装状态。

后桥图纸和数模,轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离为35mm，车轮滚动半径273mm.

质心高度为满载651mm、空载540mm，满载时质心到前后轮心X向距离分别为1395。

9mm和974.5mm，前、后轮距分别1200mm,整车满载轴荷为1800，前后轴荷分配为：

810kg/990kg，轴距为2620mm，两钢板弹簧中心距离为900mm，后桥单边轮胎和制动器重量为239N。

3.2后桥半轴的受力情况分析

因为后桥采用半浮式半轴，它的结构特点是半轴外端支承轴承位于半轴套管外端的内孔,车轮装在半轴上。

半浮式半轴除传递转矩外,其外端还承受由路面对车轮的反力所引起的全部力和力矩。

半浮式半轴结构简单,但所承受载荷较大，只能用于轿车和轻型货车及轻型客车上.

由于采用半浮式，所以半轴零件在与车轮连接处和滚动轴承之间承受了各个方向（垂直、纵向、横向）力的力矩（弯矩）同时还承受着扭矩，所以在这段轴的轴颈要比其他位置尺寸要大（见图2）。

受弯矩最大的截面要算是轴承处，但应力集中的地方是靠在轴承端面的轴台肩处，因此用R2.5的圆角予以过度。

而在与轮毂相连接处的凸缘及φ45圆柱之间用R20圆滑过渡，以防应力集中.为了使轴承内环端面不与轴台肩圆弧R2。

5相干扰而用一个挡圈来顶住轴承的端部在轴承的另一端是用一个挡圈挡住轴承,这个挡圈与轴的配合为过盈配合，经计算这种配合完全能够平衡由于侧滑而引起的侧向力，不致使半轴被抽出去。

轴的头部直径很大，另一端花键处到轴承安装处直径相对很小，如果采用整体锻造在头部镦出φ124直径是很困难的成本也较高。

所以采用摩擦对焊的工艺对截面选在弯曲力矩很小的地方。

另外在图2所示的区域进行中频表面淬火，表面硬度HRC50—60心部硬度HRC25—32，这样可以提高疲劳强度.半轴材料采用45号钢。

结构特点和受力特点决定了,在较核时，应考虑如下三种情况时的载荷工况：

1）车轮所受的纵向力FX2（驱动力和制动力）最大,侧向力为零，此时垂直力为:

FZ2=m2’×

G2/2-gw=6067。

3N

此时纵向力应按最大附着力计算:

FX2=m2’×

G2/2×

φ=6595.93（N）

其中m2’---—-汽车加速、减速时的质量转移系数m2’=1。

3

φ——---—附着系数φ=0.8

gw—一侧车轮（包括轮毂、制动器等）本身对地面的垂直载荷gw=239N

对于驱动车轮来说，当按发动机最大转矩Temax和传动系最低档传动比计算所得的纵向力小于由最大附着力时。

则应按下式计算,即

2864.61N

因为2864。

61〈6595。

93,所以纵向力应按2864.61进行计算：

左右半轴所承受的合成弯矩为:

234.83（N·

m）

转矩为：

=782.04（N·

此时半轴35mm处弯曲应力σ和扭转切应力τ为：

=55.82Mpa

a-轴承中心到轮心的偏置距a=35mm

所以符合设计要求

2）侧向力Fy2最大，纵向力FX2=0,此时意外发生侧滑，所以半轴只受弯矩，在侧向力的作用下左、右轮所承受的垂向力和侧向力各不相同，外轮上的垂直外力FZ2L和内轮上的垂直外力FZ2R分别为：

（假设向右侧滑，左轮为外轮）

9875。

34（N）

-651.34（N）

外轮上的侧向力FZ2L和内轮上的侧向力FZ2R分别为：

10114。

—412.33（N）

则合成弯矩为:

=2415.58N。

m

=135.36（N·

其中hg=651mm,汽车满载质心高度

B2=1200mm，后轮距

=1.0

，侧滑附着系数

3）汽车通过不平路面,垂向力最大，没有纵向力和侧向力作用,所以半轴只受垂向弯矩：

垂向力Fz2最大，纵向力FX2=0,侧向力Fy2=0：

此时垂直力最大值Fz2为：

Fz2L=Fz2R=K（G2/2—gw）=8071（N）

其中K为动载系数K=1。

8，

而

=282。

49（N·

4）半轴的静强度计算

半轴35mm处弯曲最大弯曲扭转应力σ、τ为:

σ=

534.17Mpa≤750Mpa

τ=

=92.94MPa≤490MPa

所以满足设计要求

d—--半轴杆部直径35mm

5）半轴花键在承受最大转矩时其花键的剪切应力和挤压应力:

半轴花键剪切应力：

τS=

=

34.94Mpa≤71.05

Mpa

半轴花键挤压应力:

=87。

81Mpa≤196Mpa

其中：

T——-半轴承受的最大转矩T=782.04（N·

DB———-半轴花键（轴）外径

dA—---相配的花键（孔）内径

Z——--—花键齿数

Lp-———-花键工作长度

b—-—--花键齿宽

φ———-载荷分布的不均匀系数，计算时取0。

75

6）半轴的最大扭转角：

=2。

31°

/m≤8°

/m

T—--半轴承受的最大转矩,取上述三种情况最大值

T=782。

04（N·

l---半轴长度615mm

G—--—材料的弹性模量81

J--——半轴横截面的极惯性距，J=

7）半浮式半轴弯曲应力σw及合成应力σ∑为:

=534。

17Mpa≤588Mpa

=566.1Mpa≤588Mpa

-———-—半轴承受的合成弯矩

d-—-—--半轴危险断面的直径

τ—---半轴的扭转应力

所以，半轴符合设计要求

第四章后桥半轴断裂分析

4.1前言

采用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段，对微型汽车后桥半轴断裂件的组织及断口特征进行了分析结果表明：

半轴在调质处理时的淬火温度不够高，使其表层和心部组织中存在较多的铁素体组，造成了工件最终的硬度和疲劳强度不足，导致半轴在使用中发生扭转疲劳断裂。

微型汽车45#后桥半轴的制造工艺流程为：

下料——锻造——摩擦焊接--粗加工——调质——粗加工-—中频淬火——余温回火-—精加工。

其中热处理技术要求为：

调质处理硬度26—32HRC，中频感应加热淬火，

（1）淬硬层深度2.5-4。

5mm；

（2）花键部分表面硬度不低于38HRC;

（3）杆部及键槽部分表面硬度不低于46HRC；

（4）淬硬层金相组织符合Q/2A-CJ—340-2000《松花江牌微型系列汽车半轴热处理技术条件》。

该半轴按照工艺规范生产并检验合格后装车，在试车过程中发生断裂，对断裂件的原材料成分进行了光谱分析，其结果符合有关技术标准,为弄清楚该半轴早期断裂的原因，本文对其硬度、显微组织、宏观及微观端口进行了研究.

4。

2试验方法

首先记录并分析断口宏观形貌，然后用酒精等将端口表面清洗干净，用扫描电子显微镜做断口微观形貌分析，用光学显微镜对半轴表层和心部显微组织进行研究，同时测定了其硬度.

试验结果

2。

1断口宏观分析

断裂的后桥半轴如图1所示,断裂部位有两处。

一处位于花键与杆部的连接处，此处已完全断裂,断面显示被撞击和研磨的痕迹。

另一处位于距花键端部约30mm处，可见轴的外周已断裂，深度约4mm，断面呈“锯齿状”，如图1.2所示，根据文献［1]，这种断面形貌特征，属于典型的扭转疲劳断口特征。

4.2。

2硬度检测

在距花键端部20mm的横截面上，由表面到心部依次逐点检测其洛式硬度，个点之间间隔为2mm，所得硬度依次为33.5HRC、24HRC、20HRC、19HRC、18。

5HRC。

对照该工件的热处理技术要求，可知该工件热处理后从表面到心部的硬度值均比所要求的值偏低。

3金相组织分析

半轴心部金相组织如图3所示，有图3可见，心部组织为回火索氏体加铁素体，其铁素体的量较大，它们沿晶界分布或呈块状。

半轴表层金相组织如图4所示.有图4a、b可见,表层组织为马氏体加铁素体,其中还有铁素体沿后桥半轴表层呈条状纵向分布.

4断口微观形貌分析

图5为扫描电子显微镜拍摄的后桥半轴断口的形貌，从图5a、b中可见从花键根部开始的贝纹状条纹。

这些贝纹状条纹形貌表明，疲劳裂纹是在花键根部的表层萌生,并在周期性应力作用下向轴心方向扩展，

对断口不同部位用扫描电子显微镜分析，发现各处微观形貌是韧窝状,如图5c所示,这是疲劳断裂的微观特征之一。

由此进一步证实了该后桥半轴早期失效的性质是疲劳断裂.

4.3分析与讨论

汽车后桥半轴工作时承受冲击、反复弯曲和扭转应力的作用，要求有足够高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。

从试验结果可知，在断裂的后桥半轴表层淬火组织和心部调质组织中存在着较多的铁素体相,它们降低了材料的硬度，从而严重削弱了材料的疲劳强度。

这导致半轴在周期性应力的作用下,在应力集中的尖角处首先萌生疲劳裂纹，随后发生疲劳断裂。

断裂的后桥半轴表层淬火组织和心部调质组织中存在的铁素体,属于非正常组织。

从铁素体的数量、分布及形状可以判断，这是由于后桥半轴调质处理时淬火加热温度不够高所致.由于后桥半轴被加热时没有达到正确的工艺温度,致使原始锻造组织中的部分铁素体未转变成奥氏体，而一直保留到提供使用的组织中。

4结论

45#汽车后桥半轴中存在较多的铁素体是造成半轴疲劳断裂的原因。

应该在生产中找出造成调质淬火工艺温度不正确的原因，并予以改正，使后桥半轴的调质组织和硬度符合技术要求。

第五章结束语

上面对后桥的半轴部件进行了力学分析和研究。

公司的领导、工程技术人员和广大车间员工眼睛向内、不等不靠，发挥潜力、克服困难,在汽车设计所和工程处等有关部门的帮助下,完成了对微型车后桥的力学理论分析和基本的道路实验,也为未来与计算机结合设计分析生产后桥打下了坚实的基础。

实践证明，在经济飞速发展汽车技术日新月异的今天,后桥的设计开发必须紧紧依托于生产这一现实，只有紧密结合了生产并掌握了最新的技术，才能创造出最好的产品,创造出适应市场需要的产品.

在今天竞争日益激烈的汽车市场上，要想永远立于不败之地，就必须不断推出市场需要、用户欢迎的新车型，而我们的任务就是要把最新的设计图纸转化成最优质的产品。

这就要求我们科技工作者要技术过硬、勇于创新，为汽车零部件的一线生产做出完善的理论分析和准确的工艺指导,使“松花江”系列汽车能够更平稳地行驶在神州大地，使哈飞拥有一个更加美好的明天。

第六章引用资料表

参考文献

［1]《金属疲劳断裂理论》-——----———---沈阳：

东北工学院出版社，1989.

《汽车原理与维修》—----——--————----—-——-—-———-——-———-—机械工业出版社

《汽车车架设计》-——-——-——----—----—-----—--清华大学出版社

《汽车设计》-——-——-—-----——-—-——-—------—--清华大学出版社

《材料力学》—--———-——--———--————-———---—--—高等教育出版社

《机械加工工艺手册》——--————--——------——---机械工业出版社