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        萬(wàn)向節(jié)十字軸失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2022-03-21 08:10:08金兄珍馮賢
        汽車(chē)工藝師 2022年3期
        關(guān)鍵詞:有限元優(yōu)化分析

        金兄珍,馮賢

        萬(wàn)向錢(qián)潮股份有限公司 浙江杭州 311215

        萬(wàn)向節(jié)是實(shí)現(xiàn)變角度動(dòng)力傳遞的機(jī)件,用于需要改變傳動(dòng)軸線(xiàn)方向的位置,是汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的關(guān)鍵部件。

        數(shù)字化有限元分析工具,方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、數(shù)字化優(yōu)化設(shè)計(jì),加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程,大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及樣品投料進(jìn)行實(shí)體試驗(yàn)成本。本文通過(guò)該產(chǎn)品十字軸失效分析及CAE有限元設(shè)計(jì)優(yōu)化,達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)的目的。

        十字軸失效分析

        客戶(hù)反饋某萬(wàn)向節(jié)壽命達(dá)不到主機(jī)廠(chǎng)新車(chē)型的要求,該萬(wàn)向節(jié)十字軸借用老產(chǎn)品。該老產(chǎn)品十字軸是20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)的,供通用公司配套,一直沿用至今??蛻?hù)主要考慮新車(chē)型的節(jié)型限制,選擇該款萬(wàn)向節(jié)十字軸??蛻?hù)在原試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加了總成反向扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn),加載扭矩增加了5%,雖然零件支持力滿(mǎn)足要求,但是,萬(wàn)向節(jié)十字軸發(fā)生軸頸部位斷裂提前失效。

        1.顯微組織分析

        技術(shù)質(zhì)量專(zhuān)家檢查了失效樣件中的十字軸零件,對(duì)其進(jìn)行顯微組織分析。

        對(duì)失效件進(jìn)行金相制樣,硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,使用金相顯微鏡進(jìn)行放大至500X檢查。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),十字軸軸頸表面組織為回火針狀馬氏體5級(jí),殘余奧氏體5%和少量碳化物1級(jí);軸頸根部斷裂處金相組織為回火針狀馬氏體5級(jí)(見(jiàn)圖1),殘余奧氏體5%和少量碳化物1級(jí);心部組織為低碳馬氏體(見(jiàn)圖2)。

        圖1 表面組織

        圖2 心部組織

        將軸頸部分安裝固定好后,進(jìn)行拋光,根據(jù)橫切面的顯微硬度,得出滲碳淬硬層深度為1.422mm,表面硬度59.5HRC,心部硬度為44.5HRC,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷或不正常的特征,金相組織和材質(zhì)均符合工程圖樣技術(shù)要求。

        2.分析討論

        失效件萬(wàn)向節(jié)十字軸金相檢測(cè)心部硬度達(dá)到正常檢測(cè)的數(shù)據(jù)偏上差,可能是十字軸使用了含C量更高的碳鋼導(dǎo)致的結(jié)果。因?yàn)槭州S從表面到心部間硬度的不同且呈逐漸下降趨勢(shì),較高的心部硬度也會(huì)影響有效滲碳層深度,并會(huì)使其有效滲碳層深度偏高。較高的心部硬度也會(huì)降低由滲碳過(guò)程產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力,加之反向扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)加載扭矩的增加,這有可能會(huì)加快促使早期失效[1]。

        3.改進(jìn)措施

        因十字軸心部硬度與滲碳層為技術(shù)要求規(guī)定允許范圍的上限值,故對(duì)滲碳淬火熱處理要求進(jìn)行內(nèi)控管理,以預(yù)防高心部硬度及較厚滲碳層的出現(xiàn)。過(guò)程內(nèi)控調(diào)整后準(zhǔn)備進(jìn)行試樣。除此之外,對(duì)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析研究,尋找改進(jìn)的機(jī)會(huì)。

        有限元分析與優(yōu)化

        1.原十字軸應(yīng)力分布及優(yōu)化調(diào)整

        對(duì)該十字軸進(jìn)行理論上分析,結(jié)合多年的經(jīng)驗(yàn),該十字軸設(shè)計(jì)基本已達(dá)到較好狀態(tài),但由于裝叉的空間限制,故無(wú)法加大十字軸實(shí)體,以增強(qiáng)萬(wàn)向節(jié)的強(qiáng)度。利用三維軟件對(duì)該產(chǎn)品十字軸進(jìn)行了CAE有限元分析,得到十字軸應(yīng)力分布,如圖3所示。

        圖3 原十字軸的應(yīng)力分布

        從圖3可以看到,該產(chǎn)品應(yīng)力分布均勻,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理,可以使材料利用率更高。應(yīng)力最大值在十字軸臺(tái)肩R處,其次是在毛坯開(kāi)檔R處,而該兩處強(qiáng)度比較低,正是客戶(hù)反饋斷裂的部位。

        臺(tái)肩R處最大應(yīng)力值為629MPa,剛好小于許用應(yīng)力值630MPa,處于臨界狀態(tài),該軸所能承受的最大工作載荷隨著加載扭矩的提升,失效的概率也極大地提升。

        為提高強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)力分布集中部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,對(duì)軸頸臺(tái)階和軸頸毛坯兩處進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)。適當(dāng)加大萬(wàn)向節(jié)十字軸該兩處的圓角R,并考慮軸承油封配合尺寸。

        具體調(diào)整為:臺(tái)階處過(guò)渡圓弧R0.5mm優(yōu)化為R1.5mm,R0.3mm優(yōu)化為R0.8mm;臺(tái)階處長(zhǎng)度相應(yīng)調(diào)整;毛坯開(kāi)檔處圓弧R6mm優(yōu)化為R10mm。優(yōu)化模型如圖4所示。

        圖4 優(yōu)化模型

        2.優(yōu)化后十字軸有限元分析

        十字軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要分步建模,進(jìn)行CAE有限元分析[2,3]。

        1)十字軸臺(tái)肩處R結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后進(jìn)行三維建模,得到十字軸改進(jìn)結(jié)構(gòu)三維模型并進(jìn)行CAE有限元分析,優(yōu)化后的應(yīng)力分布,如圖5所示。

        圖5 臺(tái)肩處R優(yōu)化后的應(yīng)力分布

        從圖5中可看出,最大應(yīng)力在十字軸毛坯開(kāi)檔R處,最大應(yīng)力值為574MPa,遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值,相對(duì)原十字軸模型的最大應(yīng)力值減小了55MPa。十字軸臺(tái)階R優(yōu)化改進(jìn)后,相對(duì)于原十字軸模型的承載能力提高了9.6%。臺(tái)肩處R尺寸調(diào)整后,應(yīng)力集中情況有了明顯改善。

        2)對(duì)萬(wàn)向節(jié)十字軸臺(tái)肩處R改進(jìn)并對(duì)毛坯開(kāi)檔處R優(yōu)化設(shè)計(jì)后,再次進(jìn)行三維建模后CAE有限元分析,得到應(yīng)力分布如圖6所示。

        圖6 臺(tái)肩處R和毛坯開(kāi)檔R優(yōu)化后應(yīng)力分布

        從圖6中可看出,應(yīng)力最大值在十字軸臺(tái)肩處,但其應(yīng)力值減小至514MPa,相對(duì)原萬(wàn)向節(jié)十字軸模型的最大應(yīng)力值減小了115MPa,低于許用應(yīng)力值630MPa,并有一定的安全系數(shù)空間。進(jìn)一步優(yōu)化毛坯開(kāi)檔處R后的十字軸模型,相對(duì)于原十字軸模型的承載能力提高了22.4%。由此證明,臺(tái)肩處R尺寸和毛坯開(kāi)檔處R優(yōu)化后,產(chǎn)品的應(yīng)力分布更加均勻,應(yīng)力集中情況有了明顯改善。

        3.樣品試制及性能檢測(cè)

        根據(jù)上述分析結(jié)果,選擇較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試制樣品,裝配成萬(wàn)向節(jié)成品后,隨機(jī)抽了3套萬(wàn)向節(jié)總成送往技術(shù)中心汽車(chē)零部件國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室作扭轉(zhuǎn)疲勞壽命測(cè)試。

        測(cè)試結(jié)果表明,3套試件扭轉(zhuǎn)疲勞壽命均達(dá)到26萬(wàn)次循環(huán),試驗(yàn)后萬(wàn)向節(jié)十字軸未損壞,試驗(yàn)節(jié)叉損壞,超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8925-2019《滾動(dòng)軸承 汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)十字軸總成技術(shù)條件》扭轉(zhuǎn)疲勞壽命20萬(wàn)次循環(huán)的要求,并且達(dá)到客戶(hù)24萬(wàn)次循環(huán)的要求,表明改進(jìn)后的萬(wàn)向節(jié)完全達(dá)到了客戶(hù)的要求。

        結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)該萬(wàn)向節(jié)十字軸運(yùn)用三維設(shè)計(jì)和CAE有限元分析技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、驗(yàn)證,使萬(wàn)向節(jié)十字軸承載能力提高了22.4%,通過(guò)了扭轉(zhuǎn)疲勞壽命測(cè)試并達(dá)到了客戶(hù)要求。

        通過(guò)三維設(shè)計(jì)與CAE有限元分析優(yōu)化,大大縮短了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期,節(jié)約了重復(fù)試驗(yàn)的周期與成本,且該改進(jìn)后十字軸材料質(zhì)量未增加,臺(tái)階R及相關(guān)過(guò)渡R及長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)數(shù)控程序控制加工,加工成本無(wú)上升。

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