張洪飛，姚艷春，李向楠，杜克鋒

（黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000）

汽車傳動軸無損探傷方案研究

張洪飛，姚艷春，李向楠，杜克鋒

（黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000）

汽車傳動軸的金屬疲勞問題是高速行駛汽車的一個安全隱患．文章提出了一種汽車傳動軸金屬疲勞度動態(tài)無損探傷方案，即將超聲波傳感器安裝于汽車傳動軸上，利用電控單元ECU對超聲波傳感器輸出的信息進(jìn)行實時處理，當(dāng)傳動軸出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷時，ECU發(fā)出指令使報警裝置發(fā)出報警信號．超聲波傳感器的安裝位置是這一方案的難點．

無損探傷；超聲波傳感器；汽車傳動軸；報警裝置；動態(tài)監(jiān)測

汽車上的一些重要構(gòu)件如傳動軸、半軸、曲軸等，在實際工作中不斷受到交變載荷的作用，金屬疲勞程度逐漸加大，容易發(fā)生突然斷裂，這是高速行駛汽車的一個安全隱患．車輛的定期安全檢測雖然能夠有效地防止這類事故，但對于某些大型汽車來講仍不能從根本上解決問題．

隨著微機技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，無損檢測的新方法和新技術(shù)不斷出現(xiàn)．本文在綜合分析汽車傳動軸、超聲波傳感器、報警裝置特點的基礎(chǔ)上，提出一種利用超聲波傳感器實時探測汽車傳動軸疲勞程度的方案．

1 車用傳動軸材料的斷裂情況及金屬疲勞特性

傳動軸是由薄鋼板卷焊而成的，工作過程中它不斷受到扭轉(zhuǎn)、振動，容易在縱向產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至發(fā)生斷裂．傳動軸受到的交變載荷的強度不易準(zhǔn)確預(yù)測，因此只有通過檢測才能判斷它是否已經(jīng)達(dá)到疲勞極限．

裂紋的擴展速率da/dV與應(yīng)力強度因子ΔK的關(guān)系是如圖1所示的S型曲線．在圖1中，I區(qū)稱為不擴展區(qū)，即當(dāng)結(jié)構(gòu)缺陷部位的應(yīng)力強度因子低于該值時，疲勞裂紋不會擴展，此時的裂紋稱為安全裂紋；II區(qū)稱為裂紋擴展區(qū)，即將萌生裂紋擴展；III區(qū)稱為快速擴展區(qū)，此區(qū)域中的裂紋擴展速度極快，常常不計算其壽命值（已達(dá)到了疲勞極限）．

圖1 da/dV與lg(ΔK)的關(guān)系

2 超聲波探傷技術(shù)及汽車電控單元簡介

2.1 超聲波探傷技術(shù)簡介

超聲波傳感器主要有穿透型和反射型2種．穿透型探傷的主要特點是探傷靈敏度低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷，不能定位缺陷的位置，但指示簡單．與穿透型探傷相比，反射法探傷能準(zhǔn)確地確定缺陷的位置和深度，可用不同波形進(jìn)行探測，應(yīng)用范圍較廣．

本研究中只需判斷汽車傳動軸是否達(dá)到了疲勞極限，而不需定位缺陷的位置，因此宜采用穿透型超聲波傳感器．

目前，超聲波傳感器在測距、探傷方面都與微機技術(shù)緊密結(jié)合，朝著智能化方向發(fā)展．例如：NM超聲儀能夠?qū)z測到的缺陷信息通過微機系統(tǒng)傳輸?shù)诫娍貑卧狤CU，并對檢測的信號進(jìn)行分析處理（包括報警），主要用于混凝土的無損檢測；DUD930數(shù)字傳感器具有優(yōu)良的探測特點，近場盲區(qū)小，能滿足較近和較遠(yuǎn)距離探傷的要求（探傷范圍在0～1000 mm），無極調(diào)節(jié)，且可自由輸入并存儲各種探傷標(biāo)準(zhǔn)，其不足是價格較高．

2.2 汽車電控單元簡介

汽車電控單元ECU由微處理器MCU、輸入電路、輸出電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、接口I/O等組成，其中的MCU又由CPU、RAM數(shù)據(jù)存儲器、ROM程序存儲器、地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等構(gòu)成．來自傳感器的信號經(jīng)輸入電路處理后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給CPU．CPU將輸入信號與參考數(shù)據(jù)對比后發(fā)出指令信號，指令信號經(jīng)功率放大（有時需轉(zhuǎn)換為模擬信號）后控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)伺服元件．

3 汽車傳動軸無損探傷模型的建立及分析

3.1 模型的建立

所建立模型的框圖如圖2所示．

圖2 汽車傳動軸無損探傷模型

超聲波傳感器（可采用車軸用超聲波探傷用組合探頭）安裝于傳動軸的兩側(cè)，檢測傳動軸內(nèi)部的疲勞裂紋狀況．ECU將傳感器的輸出信號處理后與ROM中存儲的參考數(shù)據(jù)（反映金屬內(nèi)部組織變化的S型曲線的數(shù)據(jù)）進(jìn)行對比，并產(chǎn)生控制指令．若ECU判斷出傳動軸內(nèi)部出現(xiàn)了嚴(yán)重的疲勞裂紋，即金屬裂紋進(jìn)入快速擴展區(qū)，ECU將通過指令驅(qū)動聲光報警器報警；若ECU判斷出傳動軸內(nèi)部沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞裂紋，聲光報警器不發(fā)生報警，但系統(tǒng)將自動保存檢測信息以供駕駛員參考．

3.2 超聲波傳感器的安裝方案

汽車傳動軸連接在變速器與驅(qū)動橋的萬向裝置中，由傳動軸及兩端焊接的花鍵軸和萬向節(jié)叉組成．由于傳動軸在汽車運行時會發(fā)生劇烈振動，所以在安裝超聲波傳感器時會遇到許多難題．

對于空心結(jié)構(gòu)的傳動軸，將超聲波傳感器內(nèi)置于傳動軸中可在一定程度上防止灰塵和異物對其造成危害，但引出線問題很難得到解決．如果將超聲波傳感器置于傳動軸外部，則必須考慮防水、防塵、減振和耦合介質(zhì)問題．超聲波在金屬中傳播時的衰減系數(shù)非常小，常常忽略不計，但在空氣中傳播時的衰減系數(shù)卻很大，因此必須在探頭與傳動軸之間加入耦合介質(zhì)，可以選擇黃油或者化學(xué)漿糊．化學(xué)漿糊由羥甲基纖維素與適量水調(diào)制而成，有較高的粘性，且溫度變化時不會導(dǎo)致凝膠現(xiàn)象．

超聲波傳感器在傳動軸上的安裝位置有以下3種方案：(1)將超聲波傳感器安裝在傳動軸的載荷最集中處（可由傳動軸的幾何參數(shù)及受力特點，利用有限元分析法求得）；(2)在與傳動軸正對著的車架上焊上一個固定的導(dǎo)軌，利用電機拖動，使超聲波傳感器能在導(dǎo)軌上往復(fù)運動，以便檢測整根傳動軸；(3)將超聲波傳感器安裝在傳動軸外側(cè)，并通過電機控制傳感器在傳動軸上的位置．方案一可達(dá)到實時監(jiān)測汽車傳動軸載荷最集中處的目的，在三種方案中可行性較大，其缺點是只能對傳動軸的某一部位進(jìn)行實時監(jiān)測；方案二從理論上講能實現(xiàn)對整根傳動軸的動態(tài)檢測，但不易實現(xiàn)且空氣衰減太大；方案三也能實現(xiàn)全軸的動態(tài)監(jiān)測，但難度更大，可行性較?。?/p>

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〔責(zé)任編輯 張繼金〕

U472.9

A

1006-5261(2010)05-0040-02

2010-01-21

張洪飛（1967―），男，河南新蔡人，高級實驗師，碩士．