汽车半轴断裂原因分析及对策研究 - 图文

汽车半轴断裂原因分析及对策研究

摘要

在当今社会，汽车已经走入了寻常百姓的家里，可以说汽车已经成为了我们生活中的一个重要部分。而半轴是汽车传动系统的一个重要组成部分，它是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其内端一

般通过花键与半轴齿轮连接，外端与轮毂连接。根据其支承型式不同，可分为全浮式半轴和半浮式半轴。

汽车半轴在使用过程中常出现弯曲、扭曲和断裂以及花键齿磨损或扭斜等敌障。我们课题将对半轴所出现的断裂问题进行分析，并对其提出相应的对策。首先是对半轴材料以及处理工艺上进行分析，找出其对于半轴断裂的影响，并提出解决方案；其次是对半轴结构上的受力分析，运用ANSYS有限元分析软件，对半轴模型施加不同作用力，通过分析其位移云图，节点等效应力图，位移矢量图等，分析半轴受力与变形情况，对此在半轴结构上提出相应的解决对策。

最终，我们通过分析研究，发现对于半轴材料及处理工艺上，往往是在材料选取上以及热处理工艺上出现不达标等问题造成的。而你对于半轴结构的受力分析，我们通过对软件结构进行分析，最终得出半轴两端部以及花键，变直径等应力集处，最容易产生断裂现象，所以在半轴的设计与制造时，应当尽量避免这些不利因素。

关键词汽车半轴全浮式半浮式 ANSYS软件受力分析 引言

汽车自19世纪末诞生至今100余年期间,汽车工业从无到有,以惊人的速度发展,写下了人类近代文明的重要篇章。汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化交通工具。而汽车半轴是汽车的一个重要部件，它是差速器与驱动轮之间传递转矩的实心

轴，其内端一般通过花键与半轴齿轮连接，外端以凸缘与轮毂连接。汽车半轴的结构形式取决于驱动车轮的结构，根据半轴的受力情况，半轴分为全浮式半轴和半浮式半轴。由此可见汽车半轴是汽车正常行驶的一个重要的部件，半轴性能的好坏对于汽车的安全行驶起着重要的因素。我们的课题将对汽车半轴常出现的断裂问题进行分析，通过查找资料并运用ANSYS有限元分析软件，找到半轴断裂原因并提出相应的解决方案。

汽车半轴介绍

汽车半轴是差速器与驱动轮之间传递转矩的实心轴，其内端一般通过花键1与半轴齿轮连接，外端以凸缘2与轮毂连接。

汽车半轴分类

汽车半轴的结构形式取决于驱动车轮的结构，根据半轴的受力情况，半轴分为全浮式半轴和半浮式半轴。

全浮式半轴：这种支承形式的半轴除受扭矩外，不在承受任何反力以及弯矩。这一类比较常用。

半浮式半轴：车轮所受x、y、z方向的各种反力都经过半轴传给桥壳，使半轴不仅要传递扭矩，而且要承受各种反力及其引起的各种弯矩。这一类运用较少。

全浮式半轴

半浮式半轴

汽车半轴断裂原因分析及对策研究 汽车半轴断裂类型

汽车的半轴在长期的扭转疲劳和冲击力的作用下，容易出现弯曲、扭曲和断裂以及花键齿磨损或扭斜等敌障。而对于半轴的断裂，则有以下几种形貌类型：

（1）半轴发兰盘脱落或裂纹 （2）半轴轴部平齐断裂 （3）半轴轴部螺旋断裂

（4）半轴轴部混合断裂及裂纹 （5）半轴花键处断裂 （6）半轴其他形貌断裂及裂纹

半轴发兰盘脱落或裂纹半轴轴部平齐断裂半轴轴部螺旋断裂

半轴轴部混合断裂及裂纹半轴花键处断裂

汽车半轴断裂分析

对与汽车半轴断裂原因的分析，我们总体上可分为两方面上的分析：半轴结构设计上的分析与半轴材料以及热处理工艺上的分析。 一、半轴材料以及热处理工艺上的分析：

汽车半轴早期时由于选材不合理以及热处理上工艺上没有达到

标准，导致汽车半轴常常出现断裂的问题。所以我们首先对于半轴的选材上进行分析，找到其原因和解决方案。 半轴选材分析：

1）材料有杂质；通过电子仪器对断面进行观察，断口表面处存在许多非金属杂质，如条状硫化物与球状氧化物等。在汽车正常行驶时，半轴受到扭矩、弯矩、力等作用时，半轴中这些杂质会使得半轴各部分强度、刚度、弹性等性能不均匀，从而使得各部分受力不均，对于有杂质的地方容易成为疲劳源，从而在力的作用下使得疲劳源进行扩展，成为裂纹，最终使半轴断裂。

2）材料选取不正确

早期时，汽车半轴的材料使用40MnB等中碳合金钢，经过人们实验分析发现这类材料的强度、硬度偏低，特别是淬火层深度较浅且，而且随着半径的不同，淬火层深度差异很大，所以容易导致半轴在受力时，那些性能差、淬火层浅的位置产生裂纹从而使得半轴断裂等问题。

材料热处理问题

在对半轴断裂原因的分析时，我们发现热处理工艺对于材料的性能影响非常大。同种材料受不同热处理工艺的影响，其强度、刚度、弹性、塑性以及材料的综合力学性能差异较大。如果热处理工艺。以40Cr为例，如果热处理工艺不达标，其强度、硬度等都会不符合性能要求，而且其综合性能差，淬火层浅，使得半轴在受力很容易在低于预定受力范围以及周期作用力次数时，半轴就发生断裂的问题。 材料加工工艺

当在加工半轴时，因为加工设备精度变差，以及工人加工技术不达标时，很容易使得半轴的表面精度达不到预定的要求，而且很容易使其表面存在不平整，有小裂纹等问题，使得裂纹源的存在，从而使得半轴的使用时很快产生断裂的现象。

半轴结构上的分析；

我们将运用ANSYS有限元分析软件对于半轴结构上的影响进行分析。首先我们需要对半轴的一般结构进行了解，如；不同车型对半轴的类型使用不一样，而且半轴的受力情况也不一样。之后我们将运用软件对其进行不同情况下的受力分析，先运用PRO/E软件将半轴模型建立出来，再将其导入到ANSYS有限元分析软件中，对其施加荷载，分析在在荷载的作用下，半轴模型的受力情况，变形情况等。从而得出在受相同荷载的作用时，半轴结构上不同结构对半轴断裂的影响，从而找到其对应的对策，通过改变结构设计防止半轴断裂现象的产生。由于全浮式半轴和半浮式半轴两者的受力情况不一样，我们将分

别对它们进行受力分析。

全浮式半轴

全浮式半轴只承受扭矩，不承受任何反力和弯矩。所以其受力分析较为简单，我们以货车使用的某一型号的130系列半轴对其进行受力分析。

先在PRO/E软件中，依据图纸进行建模（在建模时为了在ANSYS中便于网格划分与分析我们将花键略去）：

然后将模型导入到ANSYS有限元分析软件中，设定好单元为Tet 10node 92，其材料材料为40Cr,弹性模量：2.11E+11,泊松比:0.277 并进行网格划分。

网格划分好之后，在对模型进行荷载的施加。由于全浮式半轴只承受扭矩，不承受任何反力和弯矩。其受荷载作用力如下图：

在施加扭矩时，经过自己查找一定的资料，我们可以假设轴一端是固定的，在另一端施加力偶即可。所以我们的模型需要创建一个刚性梁单元：在模型一端外生成一个节点，设定其单元属性为MPC184.Rigid Bean(刚性梁)。设定一端底面约束所有自由度，另一端施加一个方向为指向轴线的扭矩。根据我们在网上查找的资料显示，我们所建立的轴型模型，为货车使用的半轴，其在空载正常行驶时的扭矩大约为800~1500N/m,当火车在载货正常行驶时扭矩大约为：3000~4500N/m，

我们选取3000N/m的扭矩为荷载，由于我们设定一端为约束，所以只需施加的扭矩为1500N/m.

经过软件求解，可以得出位移云图和等效应力图：

对于位移云图和等效应力图分析可知，在半轴只受扭矩时，其固定端的位移量最小，施加扭矩端部的位移量最大。这也很好的解释了半轴端部花键处以及发兰盘处断裂的原因。

在分析等效应力图时，可以得知在只受扭矩的情况下，等效应力从作用点处到固定端部一次逐渐减小。在轴直径较小的地方等效应力较大，端部以及变直径的截面处的等效应力较大且是不均匀的，所以这些地方也是十分容易产生断裂的位置。我们在设计是应当尽量避免这些不利因素。

半浮式半轴

车轮与桥壳之间无直接联系，而支承于悬伸出的半轴外端。因此，地面作用于车轮的各种反力都须经半轴外端的悬伸部分传给桥壳，使半轴外端不仅要承受转矩，而且还要承受各种反力及其形成的弯矩。 对于半浮式半轴其受力情况可以分解为三个力：轴弯矩、轴向压力，端面切向力。（此处对于其他特殊情况下的力不分析）：

为了更好地体现其端部特征以及花键处的受力情况，避免忽略一些中招因素，我们选了另一个类型的轴进行处理，图纸如下：

在PRO/E中建模;

将模型导入ANSYS中，设定好单元为Tet 10node 92，其材料材料为

40Cr,弹性模量：2.11E+11,泊松比:0.277。并进行网格划分：

模型创建一个刚性梁单元：在模型一端外生成一个节点，设定其单元属性为MPC184.Rigid Bean(刚性梁)。设定一端底面为固定约束。并对其施加1500N/m的轴向扭矩，100N/m的轴向压应力，以及2000N垂向轴线的力。

经过软件求解，可以得出位移云图和等效应力图，力的矢量图等：

经过对位移矢量图分析可得：固定端位移量较小，施加荷载端位移最大，从右到左依次增大而且在直径较小的位置，位移量变化较大。由等效应力图以及力的矢量图分析可得：在直径较小的端部，受应力最大，而且其实上下分布的其受到交变周期性荷载时，很容易产生周期性疲劳而断裂。而且在直径大小过度的位置受力不均匀且较大，花键处也产生受力不均匀的现象，由此可见，这些部位都是半轴的危险端面。我们在设计结构式应当尽量避免这些不利因素。

对策研究

对于半轴材料以及热处理工艺上，我们在选材时尽量选用含有铬的中碳钢如;40Cr、40CrMnMo、40CrMnSi、40CrMoA等，并且要确保材料所含杂质较小。对于加工工艺以及热处理工艺，根据半轴实际情况，半轴的型号，大小，长度，受力情况以及本身材料的情况下，对其运用合理的加工工艺以及热处理技术。比如早期的东风车桥半轴的解决

方案就是将半轴原来的调质改为正火处理以改善调质产生裂纹的缺陷，并通过改善制造，加强材料以及热处理的办法，提高半轴的综合力学性能。

对于半轴结构上的分析

全浮式半轴对其端部进行直径的合理设定，对于变直径截面处应当作出相应的性能强化，如加入某些元素，或者再进一步进行热处理工艺等。并应用过度处理，如加入倒角等，避免应力集中。

对半浮式半轴其作用力端部的受力以及变形量都很大，所以这些位置的直径应当较大，并对这些位置作出特殊处理，保证其综合力学性能较好。对于花键以及变直径截面处，我们分析可知其容易产生应力集中，我们应当运用倒角过度，并运用热处理工艺对其进行强化。由于半浮式半轴受多种力的作用下，所以其长度不应该太长，否则很容易使其垂直轴向的变形量过大而导致断裂。

结论

通过我们对全浮式半轴以及半浮式半轴的材料、热处理、加工工艺及受荷载分析可知，在选材上要尽量选用性能较好的材料，并且其含有的杂质要低，对与加工工艺则要求较小的表面粗糙度。而对于热处理上则要根据半轴的具体型号作出不同的热处理工艺要求。在结构上在要尽量减小变截面处的应力集中问题，在用倒角作为过渡。在轴两端应当相应的增大直径以保证其受较大作用力时不失效。在花键则要通过改善热处理工艺或者加入特殊元素一加强其力学性能。

由于作者能力有限，无法做到半轴受外部环境的影响，如温湿度等，所以本题还有很大的改进空间。

通过对上述的分析，对于汽车半轴的断裂现象我们有了大致的了解，并且提出了合理的方案，希望本文能够通过对半轴存在的问题分析与研究，是厂家在制造半轴时能够尽量避免以后汽车半轴断裂的现象。

参考文献

半浮式半轴断裂失效的ANSYS分析_董伟 半轴的断口分析和疲劳裂纹扩展_李维拥 40Cr钢汽车半轴断裂失效分析_金林奎 40Cr钢汽车半轴断裂失效分析_黄丽荣

东风车桥半轴早期失效原因分析与改善对策_左欣荣 ANSYS13.0从入门到实战张洪才何波

有限元基础理论与ANSYS11.0应用张洪信管殿柱 中国知网 百度文库 百度百科

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i98o.html