傳動(dòng)軸作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，其對(duì)整車振動(dòng)與噪聲的影響不可忽視，傳動(dòng)軸匹配與設(shè)計(jì)的不合理，會(huì)引起汽車車廂內(nèi)部轟鳴聲、方向盤振動(dòng)、后視鏡抖動(dòng)以及駕駛室地板振動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致駕駛員耳鳴、手發(fā)麻、目眩以及腳部發(fā)麻，輕則影響駕駛體檢，重則引發(fā)安全事故。傳動(dòng)軸的作用是與變速箱、驅(qū)動(dòng)橋一起將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給車輪，使汽車產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力[1]，而傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)起到固定和支撐傳動(dòng)軸的作用，車輛在行駛的過程中，如果連接凸臺(tái)發(fā)生斷裂失效問題，傳動(dòng)軸也會(huì)發(fā)生出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)傳動(dòng)軸會(huì)發(fā)生斷裂，因此傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)可靠性必須有一定的保證，才能使用。

 

1. 斷裂失效特征

某機(jī)型汽油機(jī)在進(jìn)行整車腐蝕試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)行到中間某個(gè)循環(huán)時(shí)車輛異響，檢查發(fā)現(xiàn)右前傳動(dòng)軸固定支架軸承橡膠圈老化，與傳動(dòng)軸固定支架連接的缸體（螺栓連接凸臺(tái)處）斷裂，斷裂位置如下圖 1（a）所示：

 

2. 斷裂失效原因初步分析

針對(duì)斷裂失效現(xiàn)象，首先排查試驗(yàn)工況是否符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同步進(jìn)行斷口材料檢測(cè)判斷是否存在材料缺陷問題，除此之外收集有限元分析所需輸入，為有限元建模分析做準(zhǔn)備。材料檢測(cè)主要包括：斷口分析，金相組織分析以及硬度分析。

 

2.1 材料檢測(cè)

2.1.1 斷口分析

傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)斷口如圖 1（b）所示，從圖中可以看出，斷口從凸臺(tái)加強(qiáng)筋表面起源擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)可見明顯疲勞弧線，快速擴(kuò)展區(qū)可見明顯放射線。將斷口置于掃描電鏡下觀察，如圖 1（c）所示，源區(qū)未見異常，擴(kuò)展區(qū)可見疲勞微觀特征。

 

2.1.2 金相組織分析

傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)斷口附件取樣，金相組織分析結(jié)果如圖 1（d）所示，得出基體組織為：α相+共晶 Si+合金相+塊狀初晶 Si，無異常。

 

 

圖 1 凸輪軸支撐支架連接凸臺(tái)斷裂位置及材料檢測(cè)

 

2.1.3 硬度分析

傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)基體硬度為 102HBW2.5/62.5，大于標(biāo)準(zhǔn)硬度，滿足設(shè)計(jì)要求；

 

2.2 斷裂原因初步分析

通過上述材料檢測(cè)結(jié)果表明，傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)斷口形貌、金相組織以及硬度分析均符合技術(shù)要求，可以判定傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)為疲勞斷裂；另外，傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)收到的載荷主要是傳動(dòng)軸通過支撐支架傳遞，由于傳動(dòng)軸載荷一方面來自變速箱，另一面通過車輪接受來自外界的載荷，因此傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)所受到的載荷是復(fù)雜多變的，再加上連接凸臺(tái)采用 AlSi11Cu3 的脆性材料，根部圓角本身就是應(yīng)力集中的區(qū)域，如果傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)加強(qiáng)筋強(qiáng)度偏弱，在超高次循環(huán)載荷的基礎(chǔ)上，連接凸臺(tái)根部圓角很容易首先出現(xiàn)裂紋，裂紋形成后迅速擴(kuò)展[2]。

 

由此可以看出，傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)斷裂失效原因初步判定為連接凸臺(tái)加強(qiáng)筋強(qiáng)度不足，還應(yīng)利用有限元分析法對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度疲勞進(jìn)一步校核，找出斷裂失效的機(jī)理以及尋求解決斷裂失效的有效方法和措施[3]。

 

3. 有限元分析

在傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)斷裂失效原因初步分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行有限元仿真分析。

 

3.1 有限元模型建立

建立傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)有限元幾何模型，包括缸體、下缸體、傳動(dòng)軸支撐支架以及連接螺栓，如圖 2 所示；采用 Hypermesh 軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格前處理，網(wǎng)格類型為二階四面體單元（C3D10M）；網(wǎng)格劃分時(shí)基于關(guān)鍵位置局部細(xì)化（0.5mm-1.5mm），非關(guān)鍵位置大網(wǎng)格（3mm-5mm），兩者之間平滑過渡原則進(jìn)行；緊接著建立接觸關(guān)系：缸體與下缸體之間、缸體與連接支架之間、缸體與螺栓之間以及連接支架與螺栓之間，其中缸體與下缸體之間、缸體與連接支架之間采用摩擦接觸（Contact pair）摩擦系數(shù)設(shè)置為 0.15，另外兩對(duì)接觸采用綁定接觸（Contact tie）。

 

 

圖 2 有限元分析幾何模型

 

3.2 分析輸入

有限元計(jì)算模型中缸體和下缸體材料為AlSi11Cu3，連接支架為AlSi7Mg，連接螺栓為Steel，具體材料參數(shù)如表1所示：

 

表 1 材料參數(shù)

 

 

3.3 分析邊界

有限元模型中施加邊界如圖3所示，對(duì)缸體截面進(jìn)行全約束，載荷加載形式為：在軸承接觸面上采用余弦加載，加載工況見表2所示，大小為集中力。

 

 

圖3 有限元邊界加載

 

表 2 邊界載荷

 

 

3.4 分析結(jié)果

有限元前處理完成后，采用ABAQUS Standard3D求解器進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4（a）所示，靜強(qiáng)度最大主應(yīng)力59MPa，小于缸體材料抗拉極限，最大Mises應(yīng)力198MPa，大于缸體材料的屈服極限150MPa，但是由于最大Mises應(yīng)力時(shí)缸體處于壓縮狀態(tài)，此節(jié)點(diǎn)的最小主應(yīng)力為-211MPa，大于材料壓縮屈服-225 MPa，靜強(qiáng)度滿足要求；通過Femfa軟件進(jìn)行高周疲勞分析，結(jié)果如圖4（b）所示，連接凸臺(tái)最小安全系數(shù)為1.10，處于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的臨界點(diǎn)，存在斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)，與試驗(yàn)中斷裂失效位置一致。

 

（a）凸臺(tái)靜強(qiáng)度分析結(jié)果

 

（b）凸臺(tái)疲勞分析結(jié)果

 

圖 4 凸臺(tái)強(qiáng)度疲勞分析結(jié)果

 

4. 優(yōu)化分析

通過有限元分析結(jié)果可以得出，連接凸臺(tái)加強(qiáng)筋強(qiáng)度相對(duì)比較薄弱，優(yōu)化方案前后對(duì)比如圖5所示，主要是提高加強(qiáng)筋的強(qiáng)度：加強(qiáng)筋厚度方向由4.5mm變成6mm，高度方向抬高3mm；針對(duì)優(yōu)化方案，重新進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果如圖6（a）所示，優(yōu)化方案靜強(qiáng)度最大主應(yīng)36MPa，小于缸體材料抗拉極限，最大Mises應(yīng)力195MPa，大于缸體材料的屈服極限150MPa，但是由于最大Mises應(yīng)力時(shí)缸體處于壓縮狀態(tài)，此節(jié)點(diǎn)的最小主應(yīng)力為-209MPa，大于材料壓縮屈服-225 MPa，靜強(qiáng)度滿足要求；同樣通過Femfat軟件進(jìn)行高周疲勞分析，結(jié)果如圖6（b）所示，連接凸臺(tái)最小安全系數(shù)為1.64，大于疲勞安全系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

 

 

圖 5 凸臺(tái)優(yōu)化方案前后對(duì)比

 

 

（a）凸臺(tái)優(yōu)化方案靜強(qiáng)度分析結(jié)果

 

 

（b）凸臺(tái)優(yōu)化方案疲勞分析結(jié)果

圖 6 凸臺(tái)優(yōu)化方案強(qiáng)度疲勞分析結(jié)果

 

5. 總結(jié)

本文從仿真和試驗(yàn)的角度對(duì)傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)斷裂的原因進(jìn)行了分析：

1） 經(jīng)過材料檢測(cè)中斷口分析、金相組織、硬度分析確定了傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)斷裂為疲勞斷裂；

2） 結(jié)合傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)所受載荷情況初步確認(rèn)凸臺(tái)斷裂的直接原因可能由于支架連接凸臺(tái)加強(qiáng)筋強(qiáng)度不足；

3） 經(jīng)過有限元建模分析結(jié)果，確定支架連接凸臺(tái)加強(qiáng)筋強(qiáng)度不足導(dǎo)致了支架連接凸臺(tái)斷裂。

 

通過本次有限元分析，仿真與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，證明了仿真模型和疲勞強(qiáng)度的評(píng)估方法都具有一定的合理性，因此，可以建立一套相對(duì)完善的傳動(dòng)軸支撐支架連接凸臺(tái)強(qiáng)度疲勞校核模型以及合理評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為公司其他在研機(jī)型類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

 

資料來源：達(dá)索官方