中间轴

主电机和万向接轴间的联接轴

中间轴，是汽车变速箱里的一根轴，轴本身与齿轮为一体，作用是将一轴和二轴连接，通过换挡杆的变换来选择与不同的齿轮啮合，使二轴能输出不同转速、转向和扭矩。因为其形状像一个塔，所以又叫“宝塔齿”。

机械特性

我国汽车市场保有量不断增大，2014 年底已经突破1. 54 亿辆，汽车回收问题显得越来越重要。近10 年来，国家紧密出台了一系列关于汽车回收再制造以及资源再利用的利好政策，报废汽车零部件回收制造的前提是它们具有足够的剩余寿命，能够进入下一轮服役周期，因此报废汽车零部件可回收性评价显得越发重要。

国外报废汽车零部件可回收性评价以及再制造技术日益完善，我国没有掌握可回收性评价的核心技术，仅靠经验和简单磨损对发动机和变速器等汽车零部件进行剩余寿命预测，例如电容法、金属磁记忆检测法和声发射诊断技术等。张稀林等采用电容法测量了气缸套在整个寿命周期内的磨损量; 刘利通过金属磁记忆检测法找出了柴油机机体的宏等利用声发射诊断技术对发动机各缸机身表面进行了跟踪测试。这些评价方法没有把汽车零部件疲劳损伤、剩余强度和剩余寿命有机地结合起来，对于无磨损的典型机械疲劳很难预测剩余强度和剩余寿命。卢曦等利用变速箱齿轮总结出齿轮固有频率随着疲劳损伤过程的发展而持续减小; 李承利用镀锌低碳钢点焊接头提出了以固有频率变通过点焊化率来预测点焊接头的剩余寿命; 沈通等接头动态响应试验总结出高阶固有频率更适宜预测疲利用不同循环周次下退火劳损伤; 叶笃毅等钢的硬度变化发现疲劳寿命内硬度均值分为上升、稳定及下降三个阶段; Sandor BI[9]通过中碳钢高周疲劳损伤过程中硬度变化提出可以利用硬度变化来预估疲劳损伤和剩余寿命。这些研究成果为评价中间轴的疲劳损伤、预测剩余强度和剩余寿命提供了参考。

本文以桑塔纳轿车等速万向传动中间轴为试验对象，研究了中间轴前四阶固有频率和不同截面处的表面硬度等典型机械特性参数随出厂年限的变化，为固有频率和硬度等典型机械特性参数用于中间轴的回收评价提供数据和技术参考。

1 试验材料和方法

所回收的桑塔纳轿车等速万向传动中间轴材料为40Cr，热处理为淬火 + 回火处理，淬火硬度为52HRC ～ 58 HRC，淬硬层在 3 mm 以上，所回收的试样。试样 101 未经使用，试样 201出厂年限为 10 年，试样 301 和 302 出厂年限为 15 年，试样 401、402 和 403 出厂年限为 20 年。研究的方法和步骤如下:

第一、外观检查。对所有回收的桑塔纳轿车等速万向传动中间轴进行拆卸、清理、分类和标记，对中间轴进行磁粉探伤和外观检测，剔除存在明显裂纹和明显损伤( 弯折、碰伤等) 的试样。

第二、模态试验。利用锤击法，为减少试验过程中传感器及其线缆对中间轴动态特性的影响，采用单个加速度传感器拾取信号。动态特性试验时将中间轴十等分，拾取加速度传感器位于第二等分点上，激励锤逐个敲击其它等分点，每个等分点重复敲击五次，取其平均值。

第三、模态分析计算。采用DASP 系统对测得数据进行整体拟合，获得中间轴前四阶固有频率。

第四、硬度试验。中间轴工作过程中主要承受扭矩，根据其尺寸结构，选取中间轴截面直径最大和最小两个部位进行硬度测量，测点A 为中间轴截面直径最大部位，测点B 为中间轴截面直径最小部位，每个测量部位沿圆周方向测量4 次，最终记录的硬度值取4 次测量值的平均值。模态试验采用北京东方振动和噪声技术研究所 DASP 系统;传感器采用瑞士奇石乐仪器股份有限公司生产的8776A50M3 型压电式加速度传感器，量程为±500 g，线性范围为± 1% 。硬度试验在HRS-150 型数显洛式硬度计上进行，保荷时间为5 s，负荷为150 kg，选择HRC 标尺进行硬度实验。

2 试验结果和分析

2. 1 模态试验

运用锤击法对中间轴逐个进行模态试验，采用DASP 系统对测得数据进行整体拟合和分析计算，获得中间轴的前四阶固有频率，将相同使用年限的中间轴前四阶固有频率取平均值。由试验结果可知:出厂年限为 10 年的试样，一阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 减少 3. 5 Hz，下降 0. 64% ; 二阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 减少 12. 2 Hz，下降0. 88% ; 三阶固有频率相对于试样 101 ( 未经使用) 减少 18. 1 Hz，下降 0. 71% ; 四阶固有频率相对于试样101( 未经使用) 减少 17 Hz，下降 0. 42% 。出厂年限为 15 年的试样，一阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 减少 3. 7 Hz，下降 0. 67% ; 二阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 减少 15. 1 Hz，下降1. 10% ; 三阶固有频率相对于试样 101 ( 未经使用) 减少 24. 4 Hz，下降 0. 96% ; 四阶固有频率相对于试样101( 未经使用) 减少 27. 2 Hz，下降 0. 68% 。出厂年限为 20 年的试样，一阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 减少 4. 7 Hz，下降 0. 85% ; 二阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 减少 16. 2 Hz，下降1. 17% ; 三阶固有频率相对于试样 101 ( 未经使用) 减少 25. 4 Hz，下降 1. 0% ; 四阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 减少 33. 7 Hz，下降 0. 84% 。随着出厂年限的增加，各试样前四阶固有频率相对于试样 101( 未经使用) 均有所下降，且下降幅度较小; 固有频率下降幅度中，高阶大于低阶，但下降率的变化没有规律; 试样前四阶固有频率下降率最大值为1. 2% ，认为前四阶固有频率几乎没有发生变化。点焊接头疲劳寿命百分比与固有频率下降率之间的关系: 疲劳寿命的前 40% 阶段，点焊接头固有频率几乎没有发生变化; 疲劳寿命的 70%～ 80% 阶段，点焊接头固有频率有明显下降; 疲劳寿命的最后 20% ～ 30% 阶段，点焊接头固有频率急剧下降。

在疲劳寿命的前 40% 阶段内，中间轴受到极小的疲劳损伤( 损伤小于 0. 2) ，强度保持不变，初步推断出中间轴剩余强度富足，还有 60% 以上的剩余寿命。中间轴原始设计时，考虑其剩余强度富足，可以适当地降低强度; 出厂年限到达 20 年的中间轴，仍然具有回收利用价值。

2. 2 硬度试验

对中间轴按照试验要求逐个进行硬度试验，记录不同测点的表面硬度，对相同出厂年限的中间轴表面硬度取平均值。为直观地表示中间轴表面平均硬度随出厂年限的变化，中间轴表面平均硬度随出厂年限的变化曲线图。下端直线为中间轴表面硬度的最小设计值，方点曲线为中间轴最大应力位置处的表面平均硬度，圆点曲线为中间轴最小应力位置处的表面平均硬度，以试样101(未经使用)的表面硬度为原始硬度。

由试验结果可知:

随着出厂年限的增加，中间轴表面平均硬度与原始硬度相比有些变化，但是变化幅度很小; 中间轴最大应力位置和最小应力位置处的表面平均硬度均存在先上升后下降的变化趋势;表面平均硬度最小值为52. 1 HRC，最大值为54. 9 HRC，仍然处在设计要求的范围内(52 HRC-58 HRC)。

出厂年限0 年～10 年里，最大应力位置处的表面平均硬度呈现上升趋势;出厂年限10 年～20 年里，最大应力位置处的表面平均硬度呈现下降趋势，其中出厂年限15 年～20 年里表面平均硬度下降率变大;出厂年限为20 年的中间轴，其最大应力位置处的表面平均硬度低于原始硬度。

出厂年限0 年～10 年里，最小应力位置处的表面平均硬度呈现上升趋势;出厂年限10 ～20 年里，最大应力位置处的表面平均硬度呈现下降趋势，其中出厂年限15 年～20 年里表面平均硬度下降率变小;出厂年限为20 年的中间轴，其最小应力位置处的表面平均硬度高于原始硬度，可能是最小应力位置在使用过程中没有受到损伤或者损伤极小。

中碳钢疲劳寿命百分比与硬度变化之间的关系。疲劳初期(0% ～10% )时，表面硬度出现明显的上升趋势; 在疲劳寿命的 20% ～ 30% 阶段，表面硬度开始下降，并逐步下降至最低点。在疲劳寿命的前 30% 阶段内，中间轴受到极小的疲劳损伤( 损伤小于 0. 15) ，强度保持不变，初步推断出中间轴剩余强度富足，还有 70% 以上的剩余寿命。中间轴初始设计时，由于剩余强度富足，可以适当地降出厂年限到达 20 年的中间轴，仍然具有回低强度收利用价值。

3 结论

通过模态和硬度试验的结果分析，得到如下结论:

1) 随着出厂年限的增加，中间轴前四阶固有频率均有所下降，且下降幅度较小，下降率为 1. 2% ; 固有频率下降幅度中高阶大于低阶，但下降率的变化没有规律; 在疲劳寿命的前 40% 阶段内，中间轴受到极小的疲劳损伤( 损伤小于 0. 2) ，强度保持不变，初步推断出中间轴剩余强度富足，还有 60% 以上的剩余寿命。

2) 中间轴不同截面处的表面平均硬度与原始硬度相比有些变化，但是变化幅度很小; 中间轴表面平均硬度存在先上升后下降的变化趋势，硬度最小值为52.1 HRC，最大值为 54. 9 HRC，仍然处在设计要求的范围内( 52HRC-58HRC) ; 出厂年限为 20 年的中间轴，最大应力位置处表面平均硬度低于原始硬度，最小应力位置处表面平均硬度虽略高于原始硬度但处于下降趋势中，可能是最小应力位置在中间轴使用过程中没有受到损伤; 在疲劳寿命的前 30% 阶段内，中间轴受到极小的疲劳损伤( 损伤小于 0. 15) ，强度保持不变，初步推断出中间轴剩余强度富足，还有 70% 以上的剩余寿命。

3) 根据中间轴前四阶固有频率和表面硬度的变化，初步推断出: 出厂年限为 20 年的中间轴，其疲劳寿命在前 40% 阶段内，中间轴受到极小的疲劳损伤，强度保持不变，中间轴剩余强度富足，还有 60% 以上的剩余寿命。中间轴原始设计时，由于剩余强度富足，可以适当地降低强度; 中间轴出厂年限到达 20 年后，仍然具有回收利用价值。

4) 模态试验和硬度试验得出的中间轴前四阶固有频率和硬度随出厂年限的变化均不明显，中间轴回收评价时应该综合考虑固有频率和硬度等机械特性参数，使得评价结果更加合理、更加科学; 本文没有建立起中间轴疲劳损伤、剩余强度和剩余寿命之间的定量关系，还需要进行更多样本数的强度试验作进一步的分析研究。

中间轴失效分析

概述

某型汽车变速箱在进行总成疲劳寿命台架试验过程中，在进行2档疲劳寿命试验时出现齿轮异响现象，拆检发现变速箱中间轴出现断裂。该变速箱2档疲劳试验实际循环次数为20万次，未达到试验标准要求的200万次循环次数，初步判定为样件早期失效。为分析其根本失效原因，本文主要从试验条件及力学分析、硬度测定、金相组织分析、加工工艺、零件结构等方面对失效零件进行了分析和研究。该中间轴材料及热处理工艺为：

(1)材料：20CrMnTi 。

(2)热处理工艺：渗碳淬火。

(3)热处理要求：有效硬化层深度为（0.84 ~1.35）mm，表面硬度为（58~63）HRC,芯部硬度为(35~45) HRC。

1检测方法及结果

1.1 粗视分析

断裂部位在中间轴2档齿轮与1档齿轮之间，断口边缘无明显塑性变形，呈疲劳断裂，断面位于中间轴1档齿轮齿宽方向靠近齿轮出刀位末端。

1.2 试验条件及力学分析

该变速箱在进行总成疲劳寿命试验时，试验扭矩和试验转速均按试验规范进行，试验采用排档一次试验循环的试验方式，试验规范规定试验档位为2档、3档、4档，变速箱失效时正在进行2档试验。同时在变速箱失效前，变速箱及试验台运转平稳未发现异常情况。在排除试验台状况、试验准备等干扰因素后对变速箱失效中间轴进行力学分析。从中间轴试验工况受力示意图可以分析出，该变速箱中间轴在失效断口位置处不承受该轴传递的扭矩，只承受输入轴常啮合齿轮和输出轴2档齿轮对中间轴产生的弯矩。同时从结构上重新校核断口位置的设计应力值，该应力值满足理论要求，因此初步排除中间轴力学设计的缺陷。

1.3 硬度测定

对失效中间轴失效部位的表面及心部进行了洛氏硬度测试。由结果可以看出，硬度也符合技术要求，但是表面硬度值有点偏高。

1.4 金相组织分析

在失效中间轴断口位置取金相试样，金相试样经磨制后，在显微镜400倍放大倍数下观察了断口处的金相组织。由结果可以看出，碳化物和残余奥氏体及马氏体检测符合技术要求，但是技术等级有点偏高。但是在显微镜下观察到失效断口处的齿面上有3条细裂纹，裂纹深度在（0.4~0.6）mm，为更好地分析失效断口处齿面上观察到的裂纹是在中间轴失效过程中形成的还是中间轴本身就存在这样的缺陷，需要对同一批次未进行试验的成品中间轴进行抽检并对齿面进行探伤检测。采用着色法探伤进行抽检，抽检结果显示有部分样件存在齿面裂纹的情况。为了进一步分析原因，选取了一件齿面有裂纹的成品中间轴进行了硬度和金相组织分析检验，失效中间轴的同一批次的成品还存在齿面裂纹的缺陷及碳化物、残余奥氏体、马氏体不合格等问题。

1.6 中间轴校正工艺复查

中间轴属于长轴系零件，在热处理过程中容易变形，需要对热处理后的成品进行尺寸检测，检测不合格的产品需要进行校正。中间轴的校正方法及要求为：对试样进行三点测量，如果三个点中的同轴偏差超过0.5 mm，就必须进行校正。校正的工艺为人为对零件进行下压，使偏差减小，直到满足技术要求为止。经复查该项工艺正常。

1.7 中间轴结构与表面粗糙度以及磨齿工艺

在设计中间轴时，1档齿轮存在滚刀出刀位区域，1档齿轮齿面滚刀出刀位处表面粗糙度为Ra6.3。查阅磨齿工艺得知，1档齿轮齿面的磨削余量为(0.3~0.35) mm，每次进刀量均不大于0.04 mm，磨削后1档齿轮齿面粗糙度为Ra0.8。同时1档齿轮磨削齿面与滚刀出刀位区域之间是平滑过渡的斜面，不存在应力集中的情况。

2分析与总结

通过对失效样件宏观分析发现，断口边缘无明显塑性变形，裂纹经过的地方呈现疲劳带，可以判断为疲劳断裂。出现这样的情况是由于失效部位齿面裂纹受到循环的弯矩作用，裂纹尖端处反复进行锐化和钝化，如此重复就产生了疲劳带。

通过对失效样件及抽检样件进行硬度测定、金相组织分析、生产工艺的检查，分析得出失效样件断裂的原因主要出热处理过程的控制和校正后的零件检验两个环节：

（1）失效样件同一批次的中间轴在进行渗碳淬火时使用井式炉，这种热处理炉的密封性能差容易导致热处理的零件质量不稳定，从同一批样件的碳化物与残余奥氏体、马氏体的含量差别较大可以体现出来。

（2）由于中间轴零件属于长轴系零件，热处理工艺控制不严格容易产生变形，变形的零件在校正中容易造成局部应力集中并进一步产生裂纹。

（3）中间轴在进行校正流程后，工艺流程缺少探伤检测环节，导致有裂纹缺陷的零件最终流入了成品库。针对上述失效原因，结合样品生产厂家的实际情况提出如下改进建议：

（1）更换热处理设备，建议将井式炉更换为密封箱式炉。提高中间轴的热处理质量及稳定性。

（2）加强对产品的检验质量控制，在工艺流程中增加探伤检测抽检环节，提高入库成品中间轴的合格率。样品生产厂家采纳了上述建议并实施完成了技术改进，改进后的中间轴零件的质量显著提高，中间轴在变速箱2档进行200万次循环次数试验后未出现损坏，同时变速箱顺利通过了疲劳台架寿命试验。

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