汽车摇臂轴断裂原因分析

汽车摇臂轴断裂原因分析

王书艳１，马卫东２

（１．豫北汽车动力转向器有限公司，河南新乡４５３００３；２．南京航空航天大学，江苏南京２１００００）

摘要：转向器摇臂轴在车辆事故中断裂，通过对零件的金相组织、硬度、受力情况、断口形貌等因素进行分析，认为该部位的断裂是由于车辆在事故过程中受到撞击而产生的冲击过载断裂。

关键词：摇臂轴；冲击；过载断裂

ＦｒａｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓ

ｏｎ

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ＷＡＮＧＳｈｕｙａｎｌ．ＭＡＷｅｉｄｏｎ９２

（１．Ｙｕｂｅｉ２．Ｎａｎｊｉｎｇ

ＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＣｏ．，Ｌｔｄ，ＸｉｎｘｉａｎｇＨｅｎａｎ４５３００３，Ｃｈｉｎａ；

ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮａｎｊｉｎｇＪｉａｎｇｓｕ

ｃａｕｓｅ

２１

００００，Ｃｈｉｎａ）

ｗｅｒｅｔｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｅｅｒｉｎｇｇｅａｒｐｉｔｍａｎｓｈａｆｔｆｒａｃｔｕｒｅｄｄｕｒｉｎｇｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｎａｌｙｓｉｓ，ｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔ，ａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｃｅｐａｃｔｆｒａｃｔｕｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｉｔｍａｎｓｈａｆｔ；Ｉｍｐａｃｔ；Ｏｖｅｒｌｏａｄｆｒａｃｔｕｒｅ

ａｎａｃｃｉｄｅｎｔ．Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅａｎｄ

ｏｆｔｈｅｐｉｔｍａｎｓｈａｆｔ

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ｆｒａｃｔｏｇｒａｐｈｉｅａｐｐｅａｒａｎｃｅｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｒａｃｋｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ

０引言

摇臂轴是汽车动力转向器中的关键零件，在使用过程中主要承受汽车转向时产生的反复扭转力作用。摇臂轴材料为２０ＣｒＭｎＴｉ，经渗碳、淬回火后使用。针对某车辆在翻车事故中摇臂轴断裂的实例，通过对零件的热处理、硬度、受力情况、断口形貌等进行分析，对断裂性质进行了确定，对断裂原因进，仃７分析。

图３摇臂孔壁形貌

１

１．１

图４螺杆直滚道形貌

试验过程及结果宏观观察

摇臂轴宏观形貌如图Ｉ所示，断裂处位于花键大端根部，

１・２显微观察

扫描电镜下显微观察，起裂区未见材料及冶金缺陷，渗层部分断口显微形貌主要为沿晶和韧窝断裂特征，其他断裂区均为韧窝和准解理断裂特征，如图５、６所示。

断面与轴向呈４５。螺旋状，如图２所示；断口粗糙。有明显放射状撕裂棱线交汇于与轴向成４５。角的表面．该区为断裂的起裂区。整个断口呈灰色，断面上未见腐蚀痕迹以及明显材料和冶金缺陷，呈现典型的瞬时冲击扭转过载断裂特征…。与摇臂轴配合的摇臂孔壁有明显被挤压变形的痕迹，如图３所示，说明摇臂轴断裂时受到了较大的载荷作用；将转向机分解后。螺杆直滚道及与直滚道配合的轴承座上均有明显的压痕。如图４所示，压痕分布均匀，共有１８个，与轴承滚珠的数量及分布间距一致，说明压痕是由于受到较大外力一次性挤压造成的。

图５渗层部分断口形貌图６心部断Ｌ丁形貌

１．３断裂摇臂轴金相组织

摇臂轴断口附近渗碳层金相组织正常，如图７所示，按ＱＣ／Ｔ２６２—１９９９《汽车渗碳齿轮金相检验》Ⅲ标准要求评定：残余奥氏体为２级，要求：１—５级：碳化物为２级，要求：Ｉ一５

图１

摇臂轴断裂件整体形貌图２摇臂轴断裂

级。

件断口形貌

．Ｚ．—Ｏ——Ｏ—．９．——．—９．．．．Ａ．．．ｕ．．ｔ．ｏ．．ｍ．．．ｏ．．．ｂ．．ｉ．１ｅ．．．．Ｐ．．ａ．，—ｒｔ—ｓ

０５７

万方数据　

研究与开发

摇臂轴轴心部硬度为２９ＨＲＣ。要求为２７—４２ＨＲＣ。

１．５渗碳层深度

摇臂轴未磨削部位渗碳深度为１．１０ｍｍ，要求：１．０—１．５ｒａｍ；磨削部位渗碳深度为０．９０ｍｍ，要求：０．８—１．３５ｍｍ，符合要求。

１．６化学成份分析

图７渗碳层金相组织

摇臂轴要求材料为２０ＣｒＭｎＴｉ，经光电直读光谱分析仪检测。符合ＧＢ／Ｔ３０７７－９９《合金结构钢技术条件＞㈨要求。化学成分检测结果如表１所示。

１．４断裂件硬度

摇臂轴轴表面硬度为５７ＨＲＣ，要求为大于或等于５６ＨＲＣ；

表１化学分析检测结果

２分析与讨论

摇臂轴在转向器中的作用是传递轮胎转向所需的力矩。当车辆直线行驶时，由于轮胎不转向或只轻微摆动。摇臂轴处于相对静止的不受力状态，或受力很小（轮胎轻微摆动时）。但从该断裂件的断口及相关零件的情况（摇臂孔壁的挤压变形及螺杆直滚道压痕）来看，摇臂轴断裂时所受的载荷很大，因此可以排除摇臂轴正常直线行驶时断裂的可能性。从该车的事故情况来看，车辆在向右转的过程中掉入路边排水沟，此时汽车轮胎或转向系统其他部件将会首当其冲受到冲击，反向冲击力会通过拉杆、摇臂传递到摇臂轴上；此时摇臂轴就会承受输出力矩和反向冲击力矩的双重作用。拉杆、摇臂相当于力矩臂的作用，使冲击力作用到摇臂轴上时被放大。此时，摇臂轴将会承受很大的扭转和弯曲载荷，而导致零件产生冲击过载断裂Ｍ－。同时，这个冲击力会通过摇臂轴、螺母传递到螺杆上，由于突然加载使螺杆来不及转动，产生瞬间轴向位移；而与螺杆直滚道配合的轴承座固定在壳体中不能移动，这样这个冲击载荷就会使螺杆直滚道与轴承滚道上由于钢球的挤压而产生压痕。压痕的大小与；中击载荷的大小成正比，如图８＂１所示。

从摇臂轴的断口情况来看，有明显的放射状撕裂棱线．说明断裂时所受载荷很大，加载速度很快；摇臂轴的宏观和微观断口上均未发现疲劳弧线和疲劳条带，断口表面粗糙。没有腐蚀现象。因此可以排除疲劳断裂和应力腐蚀断裂的可能性。零件表面渗碳层出现的沿晶断裂特征是由于高温下长时间渗碳，渗碳介质对晶界的损伤造成的旧１，而心部断口呈现的准解离和韧窝特征，说明该部位的断裂属于过载韧性断裂。摇臂轴螺杆直滚道及与它配合的轴承滚道上都有明显的压痕，均说明摇臂轴受到了很大的逆向冲击载荷作用。断裂摇臂轴的材料、硬度和渗碳层金相组织均符合要求，断口上无原始裂纹、冶金缺陷及疲劳断裂特征，说明摇臂轴的断裂与材质无关。主要是由于遭受了较大的；中击载荷造成的。

３结论

（１）摇臂轴的断裂是非正常使用条件下的冲击过载断裂。（２）摇臂轴硬度、渗碳层深度等符合设计图纸要求。（３）摇臂轴材质正常符合ＧＢ／Ｔ３０７７—１９９９《合金结构钢技术条件》要求；渗碳层金相组织符合ＱＣ／Ｔ２６２－１９９９《汽车渗碳齿轮金相检验》标准要求。参考文献：

【１】张栋，钟培道。陶春虎，雷祖圣．失效分析［Ｍ］．北京：国防工业

出版社，２００８：９０．

【２】ＱＣ／Ｔ２６２—１９９９，汽车渗碳齿轮金相检验［Ｓ］．【３】ＧＢ／Ｔ３０７７．１９９９，合金结构钢技术条件［ｓ］．【４】Ｊ．Ｄ．Ｖａｒｉｎ．Ｆｒａｃｔｕｒｅ

［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ

图８结构图

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｒｅｅｒｉｎｇ

ｇｅａｒ

ｓｅｃｔｏｒ

ｓｈａｆｔｓ

ｏｆＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，２００２，２（４）．

（下转第７６页）

万方数据　

研究与开麓

．Ａ．．．ｕ．．．ｔ．．ｏ．．．ｍ．．．．．ｏ．．．ｂ．．．ｉ．１．ｅ．．．．．Ｐ．．．ａ．．．ｒ．．ｔ．ｓ．．．．．．．２，．．０．．．０．．．９．．—．９—

０５８

槽脱出后，换挡力开始减小。同时，同步器结合套脱离了原挡位齿轮的结合齿，即完成了脱挡阶段。ｔ．到ｔ：是同步阶段，同步器结合套在此完成了脱挡阶段，此时结合套作少量位移以消除结合套与同步环锁止面的轴向间隙，并将同步环压紧在同步锥面上。此时同步锥面问产生摩擦，换挡力产生了峰值，随即开始了同步效应。在此阶段，完成了能量转换过程，实现了同步。ｔ：之后，是挡位结合阶段。同步后，同步器结合套通过锁止斜面拨动同步环转动，同步环必须转过约１／４个结合齿的齿距，结合套才能通过同步环的齿。由于插入同步等原因换挡力出现了第二峰值。同步器结合套有挡位结合位移，即同步器轴向发生移动。其中只是常规换挡力，，…是最大换挡力。最大换挡力Ｆ。。是影响换挡平滑性的重要指标，设计良好的同步器，最大换挡力不可大于常规换挡力的１．３倍。时间（ｔ，，ｔ：）是产生摩擦使齿圈和同步环以及结合套同步的过程口－。

通过建模后的仿真结果可知，同步锥角、摩擦系数、转动惯量、换挡力为影响同步时间的主要因素。对于不同的变速器，能够控制的因素只有换挡力，而通过上述换挡力示意图可知换挡力又与ｔ．有关，因此自学习系统主要寻求能够达到最佳换挡品质的换挡力，这种自学习系统控制的关键在于寻求与换挡力有关的最佳控制参数ｔ，值，即找到最佳换挡力。

３．１

磨损理论

挂挡时。同步器工作过程是一个复杂的、动态的摩擦过

程，摩擦引起磨损。磨损可分为磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损等。同步器体的磨损，可以认为基本上以磨粒磨损为主。

由于磨损是一种十分复杂的动态过程。迄今为止，对各类磨损的研究还不够深入、磨损理论远不成熟。为此采用理论和试验相结合的方法来对同步器进行磨损质量计算。

通过材料磨损试验。结合计算摩擦磨损率的表达式。对试验数据进行多元线性回归的处理，得到如下经验公式：

Ｗ＝Ｋ，Ｐ“Ｆ４

（１）

式中：形为磨损率，ｍｇ／（Ｎ・ｍ）；Ｐ为压强，ＭＰａ；∥为相对滑动速度，ｍ／ｓｏ

通过建立同步器磨损寿命计算模型，得到同步器接合一次磨损质量”１：

一

８Ｗ＝Ｊ

Ｗ（Ｆ／ｓｉｎａ）ｆｖｄｔ’（２）

Ｊｕ

式中：ｔ为同步时间；ｆ’为同步器结合时间；Ｗ为磨损率；Ｆ为换挡力；ａ为同步锥角；ｆ为摩擦系数；”为相对滑动速度。

自学习系统的自学习过程就是找到合适的ｔ，值使５Ｗ达到最小，从而使同步器磨损最小，寿命最长。换挡最平稳，达到最佳换挡品质。

３．２

自学习方法

该系统分三种情况下对控制参数ｔ。进行自学习：非加减

挡；加挡；减挡。并把三种情况下的ｔ，值变化范围都定为０．２—０．４ｓ，初值定为０．２Ｓ，然后针对每种情况下不同的车速段来调

万　

方数据整ｔ。值。并由系统计算出不同ｔ。值下的８Ｗ，以此为依据进行学习。

本文以客车由二挡换为三挡为例说明系统的自学习方法。当车辆由二挡换为三挡时属于加挡情况，这时车速范围一般为２０一３０ｋｍ／ｈ，把该车速范围平均分为１００段，针对每个车速段学习１０次。在其中任意车速段学习中，由电子控制单元给出ｔ。初值０．２ｓ，之后车辆每次在该车速段由二挡换为三挡时ｔ。值都自动加０．０２ｓ。这样ｔ，值变化１０次后达到其取值范围的上限０．４ｓ即终止学习，记录下每次的换挡车速％一”。。，同步结束时间ｔ：一。一ｔ：。，根据公式（２）计算出８Ｗ。至８Ｗ，。的值，比较大小，得出８Ｗ的最小值ｍｉ硒形。并记录下此时ｔ。值ｔ７，则车辆在该车速段由二挡换为三挡时的控制参数ｔ．的最佳值就为ｔ’，系统就完成了此车速段的自学习，其他情况下不同车速段的自学习过程类似。

这种自学习方法是根据同样行驶路况与操作环境下能够使同步器达到最小磨损、最长寿命的理论提出的，具有其合理性。

４结论

对客车电控气动换挡系统进行了简单的介绍，并对同步器工作过程中影响同步时间的因素进行了分析，简单阐述了基于磨损试验与理论建立的同步器磨损寿命计算模型，为同步器优化设计提供了理论依据，提出了一种寻求最佳换挡力控制参数的自学习方法。参考文献：

【ｌ】Ｒ．Ｒ．Ｃｒａｉｇ，Ｍ．Ｃ．Ｃ．Ｂａｍｐｔｏｎ．Ｃｏｕｐｌｉｎｇ

ｏｆｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｄｙｎａｍ—

ｉｃ

ａｎａｌｙｓｅｓ［Ｊ］．ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌ，１９６８，６（７）：１３１３—１３１９．

【２】Ａｓａｈａｒａ

Ｎ，ＯｔｓｕｂｏＨ，ＫｉｍｕｒａＨ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＲｏｂｕｓｔＳｅｒｖｏＳｙｅｓ—ｔｅｍ

ＦｏｒＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＳｈｉｆｔｉｎｇｏｆＡＮｅｗＣｏｍｐａｃｔＦｉｖｅ・・ＳｐｅｅｄＡｕ・－

ｔｏｍｎｔｉｃＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｍ『Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＳａｎＤｉｅ．

ｇｏ

ＣＡ，１９９２：１２７６—１２８１．

【３】武彩岗，马吉胜．同步器工作的数学模型及磨损寿命［Ｊ］．机械

工程师，２００７（３）：２８—２９．

作者简介：刘欣（１９５６一），男，大连理工大学机械工程学院副教授，主要从事自动化控制及智能仪表方面的研究。联系人：

刘春霞，电话：１５８４０８４１６７５，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｃｈｕｎｘｉａｌｏｌｏ＠１６３．ＣＯｒｎ。

收稿日期：２００１９—０７—２９

（上接第５８页）

【５】陈家瑞．汽车构造［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００４：２８２．【６】任颂赞，张静江，陈质如，等．钢铁金相图谱［Ｍ］．上海：上海科

学技术文献出版社，２００３：７６４．

作者简介：王书艳（１９７３一），女，工程师，主要从事热处理工艺、金属材料研究及机械零件失效方面的研究。Ｅ・ｍａｉｌ：

ｙｂｗａｎｇｓｈｕｙａｎ＠１２６．ｃｏｒｎｏ

收稿日期：２００９—０７—２７

研究与开发

．Ａ．．．ｕ．．ｔ．ｏ．．．ｍ．．．．ｏ．．ｂ．．．ｉ．１．ｅ．．．．Ｐ．．．ａ．．ｒ．．ｔ．ｓ．．．．．．２．．０．．．０．＋９，—．９—

０７６

汽车摇臂轴断裂原因分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

王书艳， 马卫东

王书艳(豫北汽车动力转向器有限公司,河南新乡,453003)， 马卫东(南京航空航天大学,江苏南京,210000)汽车零部件

AUTOMOBILE PARTS2009(9)1次

参考文献(6条)

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引证文献(1条)

1. 沈卓. 柳荣华. 梅朝君. 张善庆 某型汽车转向器输出轴断裂分析[期刊论文]-制造业自动化 2012(20)

引用本文格式：王书艳. 马卫东 汽车摇臂轴断裂原因分析[期刊论文]-汽车零部件 2009(9)