孟凡生（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京101400）

某驗(yàn)證商用車傳動(dòng)系萬(wàn)向節(jié)異常磨損初步研究和設(shè)計(jì)改進(jìn)

孟凡生
（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京101400）

商用車傳動(dòng)系中萬(wàn)向節(jié)磨損是一種比較常見的故障，如何延長(zhǎng)萬(wàn)向節(jié)使用壽命，需要從設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、應(yīng)用維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)精益求精，其中萬(wàn)向節(jié)的擺角、密封結(jié)構(gòu)、滾針結(jié)構(gòu)、十字軸本體的材質(zhì)、硬度、熱處理工藝等對(duì)萬(wàn)向節(jié)磨損做了較大的貢獻(xiàn)。本論文從上述各環(huán)節(jié)對(duì)萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，措施改進(jìn)有效，得到良好的效果，值得推展。

萬(wàn)向節(jié)；磨損；擺角；密封

1　前言

2013年1月份，在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)我司生產(chǎn)的某款試制商用車在可靠性能驗(yàn)證中頻繁出現(xiàn)萬(wàn)向節(jié)批量異常磨損故障，平均故障里程為3000～4500Km就要更換，壽命使用期限10～15天，造成車輛運(yùn)行效率低，驗(yàn)證成本偏高。該問(wèn)題若不解決，肯定會(huì)帶來(lái)更大的市場(chǎng)問(wèn)題，故障照片見下圖1：

由上圖可見，十字軸軸徑有麻點(diǎn)坑狀磨蝕，且有缺油干燒痕跡，需要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行解決。

2　原因分析

2.1故障車輛基本情況

該車輛主要是為礦區(qū)研發(fā)，運(yùn)載貨物主要有煤炭、鐵礦石、城建渣土等；表1為該車型的基本配置：

表1　故障車技術(shù)狀態(tài)

2.2萬(wàn)向節(jié)磨損的幾種因素

萬(wàn)向節(jié)磨損是一種比較常見的故障，一般分為三個(gè)階段

1）跑合磨損：該階段可改變?nèi)f向節(jié)加工中初始表面粗糙度特性，形成了較為穩(wěn)定的有利于實(shí)際工況的表面形貌，萬(wàn)向節(jié)在本階段的車輛運(yùn)行里程大約在1000Km左右。

2）穩(wěn)定磨損：此時(shí)的摩擦條件相對(duì)恒定，該階段代表了萬(wàn)向節(jié)工作使用壽命的長(zhǎng)短，車輛運(yùn)行里程大約在45000Km以上。

3）劇烈磨損：零件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后，零件表面遭到破壞，運(yùn)動(dòng)副中的間隙增大從而產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊、噪聲，摩擦副的溫升和磨損速度急劇增大，零件很快報(bào)廢。

萬(wàn)向節(jié)異常磨損是指萬(wàn)向節(jié)沒(méi)有經(jīng)過(guò)穩(wěn)定磨損階段，直接進(jìn)入了快速劇烈磨損階段，而且是隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，溫升越來(lái)越高，磨損越來(lái)越劇烈，直至失效。萬(wàn)向節(jié)正常磨損與異常磨損的工作曲線見下圖2.1：

4）導(dǎo)致萬(wàn)向節(jié)異常磨損的幾種因素

一般來(lái)講，導(dǎo)致萬(wàn)向節(jié)異常磨損的原因有多種，簡(jiǎn)單總結(jié)有以下幾點(diǎn)：

①萬(wàn)向節(jié)生產(chǎn)廠家的原材料控制、機(jī)加工水平、熱處理水平、裝配水平；

②萬(wàn)向節(jié)軸承密封設(shè)計(jì)存在缺陷；

③萬(wàn)向節(jié)總成零部件特別是滾針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，存在應(yīng)力集中；

④傳動(dòng)軸布置不合理，萬(wàn)向節(jié)空間擺角過(guò)大；

⑤整車布置時(shí)，萬(wàn)向節(jié)選型偏小，耐疲勞強(qiáng)度偏低；

⑥潤(rùn)滑油脂的選擇

本文從我司試驗(yàn)車中對(duì)萬(wàn)向節(jié)產(chǎn)生異常磨損故障的原因做了相關(guān)分析，著重在車輛傳動(dòng)軸布置、密封結(jié)構(gòu)、滾針結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑油脂等方面進(jìn)行了原因分析并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，在隨后的整車可靠性能驗(yàn)證中，沒(méi)有出現(xiàn)萬(wàn)向節(jié)異常磨損故障，改進(jìn)措施有效，可以推展。

2.3故障車萬(wàn)向節(jié)異常磨損原因分析

1）故障車輛傳動(dòng)軸布置

試制樣車傳動(dòng)軸布置采用兩根傳動(dòng)軸、三個(gè)萬(wàn)向節(jié)的布置方式，萬(wàn)向節(jié)規(guī)格為Φ68×165.5， Φ 140×6的軸管，鑒于空載狀態(tài)傳動(dòng)軸承受的扭矩較小，造成萬(wàn)向節(jié)磨損失效是車輛滿載狀態(tài)為主，校核滿載傳動(dòng)軸姿態(tài)夾角原布置方案V向校核見下圖2.2：

由上圖2.2可見，傳動(dòng)軸夾角在V向方向布置不大，且符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；校核該車型傳動(dòng)軸布置俯視圖（見圖2.3）可見，由于中橋輸入法蘭向右有100mm的偏置距，導(dǎo)致前、后傳動(dòng)軸不同心，第二節(jié)傳動(dòng)軸向右H向有個(gè)6.11°的偏擺角，使萬(wàn)向節(jié)空間最大擺角值增大，可用以下公式計(jì)算：

試制車萬(wàn)向節(jié)空間擺角校核見下表二：

由表二可見第二節(jié)傳動(dòng)軸與車橋主減中心線萬(wàn)向節(jié)空間擺角達(dá)到了6.42°，已經(jīng)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)的上限；萬(wàn)向節(jié)空間擺角大，造成萬(wàn)向節(jié)擺動(dòng)幅度大，承受的擠壓力也會(huì)加大，從而引發(fā)十字軸軸徑、滾針的早磨。研究表明，當(dāng)夾角由4°增至16°時(shí)，萬(wàn)向節(jié)滾針軸承壽命下降為原來(lái)的1/4，一般規(guī)定工作狀態(tài)萬(wàn)向節(jié)空間擺角≤7°，因此有必要對(duì)萬(wàn)向節(jié)的空間擺角進(jìn)行改善。

2）滾針軸承的接觸應(yīng)力［1］校核

因試驗(yàn)車萬(wàn)向節(jié)沒(méi)有發(fā)生斷裂故障，故萬(wàn)向節(jié)強(qiáng)度不是主要問(wèn)題，又因?yàn)槭悄p故障，故需要對(duì)滾針軸承的接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，萬(wàn)向節(jié)受力圖見圖2.5：

根據(jù)公式

當(dāng)滾針和十字軸軸頸表面硬度在HRC58以上時(shí)，計(jì)算出的接觸應(yīng)力應(yīng)小于3000～3200 N/mm2

式中d一滾針直徑，mm；取d=6.03 mm

Q一在載荷F作用下一個(gè)滾針?biāo)艿淖畲筝d荷，

式中i一滾針列數(shù)；i=2

Z一每列中的滾針數(shù)；取Z=28

L一滾針工作長(zhǎng)度，L=14mm

dl一十字軸軸頸，dl=47.77mm；

表2　萬(wàn)向節(jié)空間擺角

表3　十字軸化學(xué)成分分析

F一作用在軸頸中點(diǎn)的力,根據(jù)車輛配置及載荷，推導(dǎo)出 F=116832N

代入公式，可得出δ=3079 N/mm2，符合使用要求，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，處在許用應(yīng)力上限，需要改進(jìn)；但由于該車采用的Φ68×165.5規(guī)格的萬(wàn)向節(jié)是目前商用車領(lǐng)域最大規(guī)格的萬(wàn)向節(jié)，如果要開發(fā)一款更大規(guī)格的萬(wàn)向節(jié)，需要的時(shí)間周期較長(zhǎng)，目前我司已列計(jì)劃，本文改進(jìn)措施暫不體現(xiàn)。

3）故障車失效萬(wàn)向節(jié)實(shí)物剖析

①十字軸化學(xué)成分、硬度、金相分析見下：化學(xué)成分分析見表3

檢查結(jié)果表明，十字軸材質(zhì)滿足20CrMnTi的材料要求，化學(xué)成分合格。

十字軸硬度檢測(cè)見下表4：

表4　十字軸硬度檢測(cè)

對(duì)照分析，硬度及淬火層深度均合格。

c、金相檢查

金相組織的檢查結(jié)果表明，滲碳組織為馬氏體及少量殘余奧氏體，芯部區(qū)組織為低碳馬氏體及碳化物組織，金相檢查合格。

有上分析可知：十字軸化學(xué)成分、硬度、金相組織均符合技術(shù)要求，本次試驗(yàn)車萬(wàn)向節(jié)異常磨損與十字軸的材質(zhì)、熱處理等關(guān)聯(lián)不大。

②異物侵入檢測(cè)

拔開失效萬(wàn)向節(jié)未脫落的軸承，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部污染嚴(yán)重，油脂發(fā)黑，明顯有泥沙、水分侵入，視鏡下觀察，表面呈麻點(diǎn)狀磨損，局部比較嚴(yán)重，為外部異物侵入而導(dǎo)致，表明密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要改進(jìn)（見圖2.8,2.9,2.10）。

檢查失效萬(wàn)向節(jié)軸承密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)為早期的標(biāo)準(zhǔn)型密封，見下圖2.11，2.12：

失效萬(wàn)向節(jié)密封結(jié)構(gòu)采用過(guò)盈式接觸密封，密封圈硬度較高，其中一個(gè)密封唇與十字軸軸頸根部倒角處相抵觸，由于十字軸軸頸根部倒角處粗糙度不好控制（通常與密封唇相配的配合面的粗糙度要求在3.2μm以下），如果表面粗糙度值處在上差，就會(huì)使密封唇口磨損加劇，從而產(chǎn)生漏油。該密封結(jié)構(gòu)還存在以下缺陷：在萬(wàn)向節(jié)往復(fù)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，密封面上的潤(rùn)滑脂易被擠出，加上外部泥沙的侵蝕，首先接觸面發(fā)生磨損，后期泥沙、水分、灰塵侵入內(nèi)部，造成萬(wàn)向節(jié)異常磨損；所以要得到長(zhǎng)期的良好的密封性能，就應(yīng)盡量減少密封及其接觸面雙方的磨損，密封接觸面的補(bǔ)油要充分，密封接觸壓力不要過(guò)大。

③滾針結(jié)構(gòu)

故障車失效萬(wàn)向節(jié)軸承滾針采用圓柱式，見下圖2.13：

該結(jié)構(gòu)滾針在實(shí)際應(yīng)用中邊緣存在應(yīng)力集中，見下圖2.14，該應(yīng)力對(duì)軸徑磨損較大，需要改進(jìn)。

④防塵罩結(jié)構(gòu)

故障車失效萬(wàn)向節(jié)軸承防塵罩使用的是尼龍66材料（見圖2.12，序號(hào)5）低溫脆性溫度為-20℃左右，耐寒性差，防塵罩在低溫狀態(tài)下容易產(chǎn)生性能的變化，致使防塵罩硬化變形龜裂甚至斷裂，無(wú)法達(dá)到防塵效果，需要改進(jìn)。

⑤萬(wàn)向節(jié)軸承潤(rùn)滑油脂分析

故障車失效萬(wàn)向節(jié)軸承選用的油脂是復(fù)合鋰基脂，其指標(biāo)為滴點(diǎn)大于250℃，使用溫度-30～120℃，極壓性能為2 800N；雖然此種油脂性能比二號(hào)汽車通用鋰基脂優(yōu)越，但根據(jù)卡車使用環(huán)境條件的惡劣狀況，已不能滿足實(shí)際使用要求，需要改進(jìn)。

小結(jié)：通過(guò)以上分析，本故障車萬(wàn)向節(jié)異常磨損有以下幾個(gè)原因，見下圖2.15：

3　針對(duì)試驗(yàn)故障車萬(wàn)向節(jié)異常磨損的幾點(diǎn)改善措施

1）傳動(dòng)軸布置改進(jìn)：懸掛前、后傳動(dòng)軸中間減震支撐的吊架采用偏心結(jié)構(gòu)，使前、后傳動(dòng)軸同心，最大限度減小后傳動(dòng)軸偏擺角，見下圖3.1：

改進(jìn)后，滿載狀態(tài)萬(wàn)向節(jié)空間夾角優(yōu)化為3.56°，較原布置方案減少了2.86°，根據(jù)相關(guān)驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)，萬(wàn)向節(jié)空間夾角在3.5°左右，萬(wàn)向節(jié)的磨損壽命可達(dá)到期望值的85%左右。

2）萬(wàn)向節(jié)軸承密封改進(jìn)：把原密封結(jié)構(gòu)的硬擠壓式接觸密封，改成柔性止推斜面接觸密封，增設(shè)防塵唇及報(bào)軸彈簧，防止外部灰塵、泥水侵入及內(nèi)部潤(rùn)滑油脂的流失，柔性止推斜面接觸比擠壓式接觸性能更優(yōu)越，磨損壽命長(zhǎng)。

主密封面選在十字軸或軸承的圓柱面，由于圓柱面尺寸誤差可以加工得很小，從而減小了密封唇的過(guò)盈量偏差。

3）軸承滾針的改進(jìn)：在滾子軸承中，圓柱形滾子與滾道之間接觸壓力呈奇異分布，而導(dǎo)致軸承發(fā)生早期疲勞失效。凸度滾針是消除滾針應(yīng)力集中、提高滾針軸承使用壽命的主要措施。此次改進(jìn)選擇了圓弧全凸素線型滾針替代圓柱形滾針，避免使用過(guò)程中斷裂的可能性見下圖3.3，3.4：

利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，可以看出，兩端不存在應(yīng)力集中，滾針受力比較均勻，見圖3.5：

4）防塵罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)：新設(shè)計(jì)一種鋼制骨架膠合橡膠硫化成形的防塵罩，通過(guò)試制試驗(yàn)，密封效果好，而且解決了低溫環(huán)境下萬(wàn)向節(jié)的密封性能。

5）萬(wàn)向節(jié)潤(rùn)滑油脂的改進(jìn)：通過(guò)對(duì)現(xiàn)用油品的分析，需要提高潤(rùn)滑油脂的各項(xiàng)性能，通過(guò)與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)潤(rùn)滑脂的供應(yīng)商聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)某合資公司生產(chǎn)的一種復(fù)合尿基脂的指標(biāo)為滴點(diǎn)大于280℃，使用溫度-30～200℃，極壓性能高達(dá)9 800N，它的耐高溫性能及極壓性能均比復(fù)合鋰基脂要好，通過(guò)典型產(chǎn)品性能對(duì)比試驗(yàn)，使用此種復(fù)合尿基脂的磨損壽命比使用原復(fù)合鋰基脂壽命長(zhǎng)70%以上，為此，我們針對(duì)該萬(wàn)向節(jié)選用了此種油脂代替原復(fù)合鋰基脂。

4　結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)車萬(wàn)向節(jié)經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，可靠性驗(yàn)證里程又跑了近5萬(wàn)公里，包括泥水、坡道、高速等各種路面，萬(wàn)向節(jié)沒(méi)有出現(xiàn)異常磨損故障，改進(jìn)措施有效，試驗(yàn)故障信息封閉。

目前控制萬(wàn)向節(jié)空間擺角已列入我司整車開發(fā)中傳動(dòng)軸布置設(shè)計(jì)規(guī)范，規(guī)定萬(wàn)向節(jié)空間擺角≤4.5°，其余的改進(jìn)措施形成技術(shù)通知下發(fā)給我司質(zhì)量檢驗(yàn)部門及供應(yīng)商，做為產(chǎn)品采購(gòu)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

［1］王望予 汽車設(shè)計(jì)［M］北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2004, p128.

［2］張洪欣 汽車設(shè)計(jì)：機(jī)械工業(yè)出版社, 1999, p112.

專家推薦

王為人：

商用車萬(wàn)向節(jié)市傳動(dòng)系統(tǒng)重要的零部件，文章從整車總布置、零部件設(shè)計(jì)、材料、制造工藝、使用條件等方面深度分析了失效原因并提出相應(yīng)對(duì)策可用于指導(dǎo)萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)。

The Preliminary Study And Design Improvement Of The Abnormal Wear Of Universal Joint In The Transmission System Of A Commercial Vehicle

MENG Fan-sheng
（Beijing Foton Daimler Automotive Co., Ltd., Beijing 101400, China ）

Commercial vehicle transmission Cardan wear is one of the common faults and how to prolong the cardan service life, need from R & D, design, manufacturing, application and maintenance all aspects of excellence, which the gimbal swing angle, sealing structure, needle structure, cross axis of the body material, hardness, heat treatment process of the universal joint wear made a greater contribution. This paper from the above aspects of the universal joint has been improved, received a good effect, get the user's affirmation.

universal joint； wear； swing angle； seal

U467.1

A

1005-2550（2016）03-0025-06