姚漢波 張穎 林奇 張大鵬（泛亞汽車技術(shù)中心）

傳動(dòng)軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部件。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，最后是依靠傳動(dòng)軸傳遞到車輪的。當(dāng)在急加速、急減速以及顛簸路面時(shí)，傳動(dòng)軸接口將承受沖擊性載荷和交變載荷，所以導(dǎo)致傳動(dòng)軸損壞最重要或關(guān)鍵的載荷形式也多為交變載荷，實(shí)際失效的形式也多為疲勞損壞。文中利用有限元仿真方法對(duì)某車型的傳動(dòng)軸接口進(jìn)行應(yīng)力分析，并結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)傳動(dòng)軸的疲勞失效模式進(jìn)行了研究。用穩(wěn)健性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[1]，對(duì)影響傳動(dòng)軸疲勞特性的相關(guān)因素進(jìn)行分析，找出敏感因素，有針對(duì)性地通過(guò)相關(guān)措施大幅度改善了該車傳動(dòng)軸的抗高扭疲勞強(qiáng)度，提高了傳動(dòng)軸的可靠性。

1 傳動(dòng)軸六西格瑪穩(wěn)健性設(shè)計(jì)

1.1 六西格瑪穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法概述

六西格瑪穩(wěn)健性設(shè)計(jì)[2]最初的涵義建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)的正態(tài)分布基礎(chǔ)上，從統(tǒng)計(jì)學(xué)概念來(lái)講，六西格瑪被定義為6倍的標(biāo)準(zhǔn)差，并考慮了1.5倍的浮動(dòng)漂移，要求每百萬(wàn)個(gè)產(chǎn)品中的機(jī)會(huì)缺陷數(shù)不多于3.4個(gè)，即保證成功幾率為99.999 7%。六西格瑪穩(wěn)健性設(shè)計(jì)注重產(chǎn)品的穩(wěn)健性，按照合理的流程，運(yùn)用科學(xué)的方法，準(zhǔn)確理解和把握客戶需求。對(duì)產(chǎn)品/流程本身進(jìn)行穩(wěn)健性設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品/流程在低成本下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健性質(zhì)量水平，同時(shí)使產(chǎn)品/流程本身具有抵抗各種噪聲的能力，即便出現(xiàn)環(huán)境或制造波動(dòng)，產(chǎn)品仍能以較高水平滿足客戶的需求。尤其符合汽車這種使用年限長(zhǎng)、零部件多而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念。因此，在汽車整車設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中被廣泛使用。

1.2 傳動(dòng)軸抗扭疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)

在對(duì)傳動(dòng)軸的疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，一般都是通過(guò)對(duì)總成的疲勞性能試驗(yàn)和整車耐久試驗(yàn)來(lái)反映傳動(dòng)軸的抗疲勞強(qiáng)度性能。而總成的疲勞性能試驗(yàn)主要分為高周低扭試驗(yàn)、中周中扭試驗(yàn)和低周高扭試驗(yàn)。整車耐久試驗(yàn)是作為驗(yàn)證的手段，不在設(shè)計(jì)中考慮?？偝善谠囼?yàn)的時(shí)間周期短和規(guī)范較苛刻，在設(shè)計(jì)中作為考核抗疲勞性能的主要指標(biāo)。針對(duì)本車的傳動(dòng)軸，在對(duì)其進(jìn)行靜扭試驗(yàn)及高、中、低扭試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，靜扭試驗(yàn)、中扭試驗(yàn)與低扭試驗(yàn)都達(dá)到了試驗(yàn)要求。但在進(jìn)行高扭試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)2處異常點(diǎn)：1）循環(huán)疲勞次數(shù)（1 369次）遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到試驗(yàn)要求（3 330次）；2）在高載的情況下，斷裂位置全部都在內(nèi)節(jié)根部，高扭試驗(yàn)后樣件出現(xiàn)的這種失效形式是不允許的。故針對(duì)該車傳動(dòng)軸，文章將高扭疲勞試驗(yàn)結(jié)果作為傳動(dòng)軸的抗扭疲勞強(qiáng)度的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。高扭疲勞次數(shù)必須高于試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，且次數(shù)越多，抗高扭的疲勞性能越好。高扭疲勞試驗(yàn)臺(tái)架，如圖1所示。

1.3 設(shè)計(jì)變量及噪聲因子

1.3.1 設(shè)計(jì)變量的確定

圖2示出傳動(dòng)軸失效件像分析圖。在對(duì)接口內(nèi)節(jié)根部斷口進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如圖2斷口低倍形貌所示，中心為三角形部分為終斷區(qū)，斷裂源于邊緣。通過(guò)圖2斷口邊緣（起裂點(diǎn)）600倍形貌，可以發(fā)現(xiàn)斷面上有條紋且表面有裂紋。零件承受的是彎曲或扭轉(zhuǎn)或二者聯(lián)合作用的載荷，零件表面應(yīng)力最大，表面裂紋的存在，使零件在承受交變載荷時(shí)應(yīng)力集中，從而加速試件的疲勞破壞。

為減少裂紋的產(chǎn)生，從2個(gè)方面進(jìn)行考慮：1）從物理特性方面進(jìn)行提高，把提高傳動(dòng)軸根部的表面粗糙度作為控制因子，通過(guò)提高表面加工粗糙度減少微裂紋的存在；2）從化學(xué)特性方面進(jìn)行提高，把傳動(dòng)軸的表面熱處理工藝作為控制因子。在對(duì)該傳動(dòng)軸進(jìn)行熱處理工藝分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)軸根部一段區(qū)域上并沒(méi)有進(jìn)行表面淬火處理，導(dǎo)致金屬的流線沒(méi)有連續(xù)，出現(xiàn)金屬流線斷裂，容易造成應(yīng)力集中[3]，如圖3所示。

對(duì)傳動(dòng)軸接口進(jìn)行靜載的CAE仿真分析，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸接口的根部區(qū)為應(yīng)力集中區(qū)。所以從幾何方面進(jìn)行分析，把提高接口根部的拐角半徑作為控制因子，來(lái)提高其抗疲勞的能力。由此得出因子水平表，如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣件控制因子水平表

1.3.2 噪聲因子的確定

噪聲因子是指影響系統(tǒng)響應(yīng)但不受控的因子。所有的系統(tǒng)分析中，都不能忽略噪聲的影響，但越是穩(wěn)健的系統(tǒng)對(duì)噪聲就越不敏感。

針對(duì)傳動(dòng)軸，其使用環(huán)境非常惡劣，而且有一部分既沒(méi)有進(jìn)行涂層保護(hù)也沒(méi)有油的潤(rùn)滑。水和氧氣容易富集在傳動(dòng)軸接口的金屬表面，通過(guò)電子遷移的腐蝕方式，以含水氧化鐵的形式沉淀在傳動(dòng)軸接口表面。在應(yīng)力作用下，腐蝕坑處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成疲勞腐蝕裂源[4]，從而影響到傳動(dòng)軸的疲勞性能。雖然對(duì)這種腐蝕很難定量地進(jìn)行描述，但必須要考慮到系統(tǒng)中。在試驗(yàn)中，考慮到代表性和可行性，使用傳動(dòng)軸試驗(yàn)中常用的48 h循環(huán)鹽霧腐蝕試驗(yàn)為噪聲因子。

傳動(dòng)軸的材料采用的都是特種合金鋼，但里面的微量金屬元素會(huì)對(duì)淬火區(qū)的淬透層深度產(chǎn)生一定的影響?？紤]到這種影響很難定量地進(jìn)行描述，結(jié)合工廠的傳動(dòng)軸樣品庫(kù)和相關(guān)專家的工作經(jīng)驗(yàn)，把該傳動(dòng)軸接口的淬透層深度分為上極限區(qū)和下極限區(qū)。由此得出噪聲因子水平表，如表2所示。

表2 試驗(yàn)樣件噪聲因子水平表

1.3.3 穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)表

根據(jù)穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)選擇要求[5]，穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)表，如表3所示。為降低試驗(yàn)偶然性，提高試驗(yàn)參數(shù)的可靠性，特引入B10疲勞壽命計(jì)算方法[6]。它是指收集傳動(dòng)軸疲勞試驗(yàn)的失效循環(huán)次數(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到10%的傳動(dòng)軸疲勞失效的循環(huán)次數(shù)，用B10表征循環(huán)次數(shù)。如果傳動(dòng)軸工作到這個(gè)次數(shù)仍未失效（占90%左右），需要對(duì)其進(jìn)行更換。在文章的樣件試制中，每個(gè)水平都有4個(gè)樣件進(jìn)行試驗(yàn)，從而得出相應(yīng)的B10循環(huán)次數(shù)作為最后的試驗(yàn)輸入。

表3 試驗(yàn)樣件穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化方案

2.1 穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于低周高扭疲勞試驗(yàn)算例[6]，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，總共需進(jìn)行32×2×4=72次，而應(yīng)用文中的因素及水平構(gòu)建L4穩(wěn)健評(píng)估表，用穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)方法尋求優(yōu)化方案，只需進(jìn)行32次低周高扭疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

表4 試驗(yàn)樣件低周高扭試驗(yàn)分析結(jié)果

表4中，S/N為信號(hào)噪聲比，可以簡(jiǎn)單描述為信號(hào)功率和噪聲功率之比，可以相對(duì)地衡量系統(tǒng)的穩(wěn)健性。在表4中可以看出，4#件穩(wěn)健性最好，其次是2#件和3#件，1#件穩(wěn)健性最差，遠(yuǎn)低于其他3類樣件。

圖4示出試驗(yàn)樣件穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)分析結(jié)果。從圖4b可以看出，對(duì)于抗低周高扭疲勞性能，控制因子（B）傳動(dòng)軸接口的整體熱處理對(duì)性能影響最大，其次是控制因子（A）表面粗糙度，而控制因子（C）拐角倒圓半徑對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響非常小，故放棄對(duì)此因子的更改。

2.2 優(yōu)化方案及改善效果

根據(jù)圖4，優(yōu)化方案選定控制因子A和B。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行零件級(jí)驗(yàn)證，通過(guò)低周高扭疲勞試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)由原來(lái)的1 369次提高到7 494次，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)要求的3 330次，優(yōu)化方案達(dá)到預(yù)期效果。圖5示出零件疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。從圖5可以看出，零件的斷裂部位不在傳動(dòng)軸接口內(nèi)節(jié)根部，而都在內(nèi)節(jié)，這符合設(shè)計(jì)初衷，達(dá)到了優(yōu)化效果。

3 結(jié)論

1）采用六西格瑪穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合失效分析與有限元仿真，對(duì)某車型傳動(dòng)軸的抗高扭疲勞強(qiáng)度進(jìn)行研究，在保證分析結(jié)果的基礎(chǔ)上盡可能地減少了試驗(yàn)次數(shù)，快速找出了對(duì)低周高扭疲勞強(qiáng)度敏感的因素，然后通過(guò)有針對(duì)性的措施改善該傳動(dòng)軸的抗高扭疲勞性能，并在隨后的零件級(jí)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，將循環(huán)次數(shù)由原來(lái)的1 369次大幅度地提高到了7 494次，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)要求的3 330次。

2）由于六西格瑪穩(wěn)健評(píng)估試驗(yàn)方法的應(yīng)用，最終的優(yōu)化方案通過(guò)更改工藝，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量的零增加，而且很好地控制了單件成本增長(zhǎng)。

3）對(duì)傳動(dòng)軸內(nèi)節(jié)接口的設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步的認(rèn)知，也為傳動(dòng)軸抗高扭疲勞的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了正確的指導(dǎo)。