中間軸

中間軸，是汽車變速箱裡的一根軸，軸本身與齒輪為一體，作用是將一軸和二軸連線，通過換擋桿的變換來選擇與不同的齒輪嚙合，使二軸能輸出不同轉速、轉向和扭矩。因為其形狀像一個塔，所以又叫“寶塔齒”。

隨著中間軸出廠年限的增加，其固有頻率有所下降，且下降幅度較小; 中間軸固有頻率最高下降 1. 2% ，前 4 階固有頻率下降幅度中高階大於低階，但下降率的變化沒有規律; 不同截面處的表面硬度略微變化，存在先上升後下降的趨勢; 根據中間軸固有頻率和硬度的變化，可以初步推斷出中間軸還有 60% 以上的剩餘壽命，具有回收利用價值。

基本介紹

• 中文名：中間軸
• 外文名：jackshaft
• 別稱：寶塔齒
• 作用：將一軸和二軸連線
• 套用：汽車
• 所屬類別：交通

中間軸典型機械特性

概述

我國汽車市場保有量不斷增大，2014 年底已經突破1. 54 億輛，汽車回收問題顯得越來越重要。近10 年來，國家緊密出台了一系列關於汽車回收再製造以及資源再利用的利好政策，報廢汽車零部件回收製造的前提是它們具有足夠的剩餘壽命，能夠進入下一輪服役周期，因此報廢汽車零部件可回收性評價顯得越發重要 。

國外報廢汽車零部件可回收性評價以及再製造技術日益完善，我國沒有掌握可回收性評價的核心技術，僅靠經驗和簡單磨損對發動機和變速器等汽車零部件進行剩餘壽命預測，例如電容法、金屬磁記憶檢測法和聲發射診斷技術等。張稀林等 採用電容法測量了氣缸套在整個壽命周期內的磨損量; 劉利通過金屬磁記憶檢測法找出了柴油機機體的宏等利用聲發射診斷技術對發動機各缸機身表面進行了跟蹤測試。這些評價方法沒有把汽車零部件疲勞損傷、剩餘強度和剩餘壽命有機地結合起來，對於無磨損的典型機械疲勞很難預測剩餘強度和剩餘壽命。盧曦等 利用變速箱齒輪總結出齒輪固有頻率隨著疲勞損傷過程的發展而持續減小; 李承利用鍍鋅低碳鋼點焊接頭提出了以固有頻率變通過點焊化率來預測點焊接頭的剩餘壽命; 沈通等接頭動態回響試驗總結出高階固有頻率更適宜預測疲利用不同循環周次下退火勞損傷; 葉篤毅等鋼的硬度變化發現疲勞壽命內硬度均值分為上升、穩定及下降三個階段; Sandor BI[9]通過中碳鋼高周疲勞損傷過程中硬度變化提出可以利用硬度變化來預估疲勞損傷和剩餘壽命。這些研究成果為評價中間軸的疲勞損傷、預測剩餘強度和剩餘壽命提供了參考。

本文以桑塔納轎車等速萬向傳動中間軸為試驗對象，研究了中間軸前四階固有頻率和不同截面處的表面硬度等典型機械特性參數隨出廠年限的變化，為固有頻率和硬度等典型機械特性參數用於中間軸的回收評價提供數據和技術參考。

1 試驗材料和方法

所回收的桑塔納轎車等速萬向傳動中間軸材料為40Cr，熱 處 理 為 淬 火 + 回 火 處 理，淬 火 硬 度 為52HRC ～ 58 HRC，淬硬層在 3 mm 以上，所回收的試樣如圖 1 所示。圖 1 中，試樣 101 未經使用，試樣 201出廠年限為 10 年，試樣 301 和 302 出廠年限為 15 年，試樣 401、402 和 403 出廠年限為 20 年。研究的方法和步驟如下:

第一、外觀檢查。對所有回收的桑塔納轎車等速萬向傳動中間軸進行拆卸、清理、分類和標記，對中間軸進行磁粉探傷和外觀檢測，剔除存在明顯裂紋和明顯損傷( 彎折、碰傷等) 的試樣。

第二、模態試驗。利用錘擊法，為減少試驗過程中感測器及其線纜對中間軸動態特性的影響，採用單個加速度感測器拾取信號。動態特性試驗時將中間軸十等分，拾取加速度感測器位於第二等分點上，激勵錘逐個敲擊其它等分點，每個等分點重複敲擊五次，取其平均值。

第三、模態分析計算。採用DASP 系統對測得數據進行整體擬合，獲得中間軸前四階固有頻率。

第四、硬度試驗。中間軸工作過程中主要承受扭矩，根據其尺寸結構，選取中間軸截面直徑最大和最小兩個部位進行硬度測量，測點A 為中間軸截面直徑最大部位，測點B 為中間軸截面直徑最小部位，每個測量部位沿圓周方向測量4 次，最終記錄的硬度值取4 次測量值的平均值。模態試驗採用北京東方振動和噪聲技術研究所 DASP 系統;感測器採用瑞士奇石樂儀器股份有限公司生產的8776A50M3 型壓電式加速度感測器，量程為±500 g，線性範圍為± 1% 。硬度試驗在HRS-150 型數顯洛式硬度計上進行，保荷時間為5 s，負荷為150 kg，選擇HRC 標尺進行硬度實驗。

2 試驗結果和分析

2. 1 模態試驗

運用錘擊法對中間軸逐個進行模態試驗，採用DASP 系統對測得數據進行整體擬合和分析計算，獲得中間軸的前四階固有頻率，將相同使用年限的中間軸前四階固有頻率取平均值。由試驗結果可知:出廠年限為 10 年的試樣，一階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 減少 3. 5 Hz，下降 0. 64% ; 二階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 減少 12. 2 Hz，下降0. 88% ; 三階固有頻率相對於試樣 101 ( 未經使用) 減少 18. 1 Hz，下降 0. 71% ; 四階固有頻率相對於試樣101( 未經使用) 減少 17 Hz，下降 0. 42% 。出廠年限為 15 年的試樣，一階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 減少 3. 7 Hz，下降 0. 67% ; 二階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 減少 15. 1 Hz，下降1. 10% ; 三階固有頻率相對於試樣 101 ( 未經使用) 減少 24. 4 Hz，下降 0. 96% ; 四階固有頻率相對於試樣101( 未經使用) 減少 27. 2 Hz，下降 0. 68% 。出廠年限為 20 年的試樣，一階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 減少 4. 7 Hz，下降 0. 85% ; 二階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 減少 16. 2 Hz，下降1. 17% ; 三階固有頻率相對於試樣 101 ( 未經使用) 減少 25. 4 Hz，下降 1. 0% ; 四階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 減少 33. 7 Hz，下降 0. 84% 。隨著出廠年限的增加，各試樣前四階固有頻率相對於試樣 101( 未經使用) 均有所下降，且下降幅度較小; 固有頻率下降幅度中，高階大於低階，但下降率的變化沒有規律; 試樣前四階固有頻率下降率最大值為1. 2% ，認為前四階固有頻率幾乎沒有發生變化。點焊接頭疲勞壽命百分比與固有頻率下降率之間的關係: 疲勞壽命的前 40% 階段，點焊接頭固有頻率幾乎沒有發生變化; 疲勞壽命的 70%～ 80% 階段，點焊接頭固有頻率有明顯下降; 疲勞壽命的最後 20% ～ 30% 階段，點焊接頭固有頻率急劇下降。

在疲勞壽命的前 40% 階段內，中間軸受到極小的疲勞損傷( 損傷小於 0. 2) ，強度保持不變，初步推斷出中間軸剩餘強度富足，還有 60% 以上的剩餘壽命。中間軸原始設計時，考慮其剩餘強度富足，可以適當地降低強度; 出廠年限到達 20 年的中間軸，仍然具有回收利用價值。

2. 2 硬度試驗

對中間軸按照試驗要求逐個進行硬度試驗，記錄不同測點的表面硬度，對相同出廠年限的中間軸表面硬度取平均值。為直觀地表示中間軸表面平均硬度隨出廠年限的變化，繪出如圖6 所示中間軸表面平均硬度隨出廠年限的變化曲線圖。下端直線為中間軸表面硬度的最小設計值，方點曲線為中間軸最大應力位置處的表面平均硬度，圓點曲線為中間軸最小應力位置處的表面平均硬度，以試樣101(未經使用)的表面硬度為原始硬度。

由試驗結果可知:

隨著出廠年限的增加，中間軸表面平均硬度與原始硬度相比有些變化，但是變化幅度很小; 中間軸最大應力位置和最小應力位置處的表面平均硬度均存在先上升後下降的變化趨勢;表面平均硬度最小值為52. 1 HRC，最大值為54. 9 HRC，仍然處在設計要求的範圍內(52 HRC-58 HRC)。

出廠年限0 年～10 年裡，最大應力位置處的表面平均硬度呈現上升趨勢;出廠年限10 年～20 年裡，最大應力位置處的表面平均硬度呈現下降趨勢，其中出廠年限15 年～20 年裡表面平均硬度下降率變大;出廠年限為20 年的中間軸，其最大應力位置處的表面平均硬度低於原始硬度。

出廠年限0 年～10 年裡，最小應力位置處的表面平均硬度呈現上升趨勢;出廠年限10 ～20 年裡，最大應力位置處的表面平均硬度呈現下降趨勢，其中出廠年限15 年～20 年裡表面平均硬度下降率變小;出廠年限為20 年的中間軸，其最小應力位置處的表面平均硬度高於原始硬度，可能是最小應力位置在使用過程中沒有受到損傷或者損傷極小。

中碳鋼疲勞壽命百分比與硬度變化之間的關係。疲勞初期(0% ～10% )時，表面硬度出現明顯的上升趨勢; 在疲勞壽命的 20% ～ 30% 階段，表面硬度開始下降，並逐步下降至最低點。在疲勞壽命的前 30% 階段內，中間軸受到極小的疲勞損傷( 損傷小於 0. 15) ，強度保持不變，初步推斷出中間軸剩餘強度富足，還有 70% 以上的剩餘壽命。中間軸初始設計時，由於剩餘強度富足，可以適當地降出廠年限到達 20 年的中間軸，仍然具有回低強度收利用價值。

3 結論

通過模態和硬度試驗的結果分析，得到如下結論:

1) 隨著出廠年限的增加，中間軸前四階固有頻率均有所下降，且下降幅度較小，下降率為 1. 2% ; 固有頻率下降幅度中高階大於低階，但下降率的變化沒有規律; 在疲勞壽命的前 40% 階段內，中間軸受到極小的疲勞損傷( 損傷小於 0. 2) ，強度保持不變，初步推斷出中間軸剩餘強度富足，還有 60% 以上的剩餘壽命。

2) 中間軸不同截面處的表面平均硬度與原始硬度相比有些變化，但是變化幅度很小; 中間軸表面平均硬度存在先上升後下降的變化趨勢，硬度最小值為52.1 HRC，最大值為 54. 9 HRC，仍然處在設計要求的範圍內( 52HRC-58HRC) ; 出廠年限為 20 年的中間軸，最大應力位置處表面平均硬度低於原始硬度，最小應力位置處表面平均硬度雖略高於原始硬度但處於下降趨勢中，可能是最小應力位置在中間軸使用過程中沒有受到損傷; 在疲勞壽命的前 30% 階段內，中間軸受到極小的疲勞損傷( 損傷小於 0. 15) ，強度保持不變，初步推斷出中間軸剩餘強度富足，還有 70% 以上的剩餘壽命。

3) 根據中間軸前四階固有頻率和表面硬度的變化，初步推斷出: 出廠年限為 20 年的中間軸，其疲勞壽命在前 40% 階段內，中間軸受到極小的疲勞損傷，強度保持不變，中間軸剩餘強度富足，還有 60% 以上的剩餘壽命。中間軸原始設計時，由於剩餘強度富足，可以適當地降低強度; 中間軸出廠年限到達 20 年後，仍然具有回收利用價值。

4) 模態試驗和硬度試驗得出的中間軸前四階固有頻率和硬度隨出廠年限的變化均不明顯，中間軸回收評價時應該綜合考慮固有頻率和硬度等機械特性參數，使得評價結果更加合理、更加科學; 本文沒有建立起中間軸疲勞損傷、剩餘強度和剩餘壽命之間的定量關係，還需要進行更多樣本數的強度試驗作進一步的分析研究。

中間軸失效分析

概述

某型汽車變速箱在進行總成疲勞壽命台架試驗過程中，在進行2檔疲勞壽命試驗時出現齒輪異響現象，拆檢發現變速箱中間軸出現斷裂。該變速箱2檔疲勞試驗實際循環次數為20萬次，未達到試驗標準要求的200萬次循環次數，初步判定為樣件早期失效。為分析其根本失效原因，本文主要從試驗條件及力學分析、硬度測定、金相組織分析、加工工藝、零件結構等方面對失效零件進行了分析和研究。該中間軸材料及熱處理工藝為：

(1)材料：20CrMnTi 。

(2)熱處理工藝：滲碳淬火。

(3)熱處理要求：有效硬化層深度為（0.84 ~1.35）mm，表面硬度為（58~63）HRC,芯部硬度為(35~45) HRC。

1檢測方法及結果

1.1 粗視分析

斷裂部位在中間軸2檔齒輪與1檔齒輪之間，斷口邊緣無明顯塑性變形，呈疲勞斷裂，斷面位於中間軸1檔齒輪齒寬方向靠近齒輪出刀位末端。

1.2 試驗條件及力學分析

該變速箱在進行總成疲勞壽命試驗時，試驗扭矩和試驗轉速均按試驗規範進行，試驗採用排檔一次試驗循環的試驗方式，試驗規範規定試驗檔位為2檔、3檔、4檔，變速箱失效時正在進行2檔試驗。同時在變速箱失效前，變速箱及試驗台運轉平穩未發現異常情況。在排除試驗台狀況、試驗準備等干擾因素後對變速箱失效中間軸進行力學分析。從圖3中間軸試驗工況受力示意圖可以分析出，該變速箱中間軸在失效斷口位置處不承受該軸傳遞的扭矩，只承受輸入軸常嚙合齒輪和輸出軸2檔齒輪對中間軸產生的彎矩。同時從結構上重新校核斷口位置的設計應力值，該應力值滿足理論要求，因此初步排除中間軸力學設計的缺陷。

1.3 硬度測定

對失效中間軸失效部位的表面及心部進行了洛氏硬度測試。由結果可以看出，硬度也符合技術要求，但是表面硬度值有點偏高。

1.4 金相組織分析

在失效中間軸斷口位置取金相試樣，金相試樣經磨製後，在顯微鏡400倍放大倍數下觀察了斷口處的金相組織。由結果可以看出，碳化物和殘餘奧氏體及馬氏體檢測符合技術要求，但是技術等級有點偏高。但是在顯微鏡下觀察到失效斷口處的齒面上有3條細裂紋，裂紋深度在（0.4~0.6）mm，為更好地分析失效斷口處齒面上觀察到的裂紋是在中間軸失效過程中形成的還是中間軸本身就存在這樣的缺陷，需要對同一批次未進行試驗的成品中間軸進行抽檢並對齒面進行探傷檢測。採用著色法探傷進行抽檢，抽檢結果顯示有部分樣件存在齒面裂紋的情況。為了進一步分析原因，選取了一件齒面有裂紋的成品中間軸進行了硬度和金相組織分析檢驗，失效中間軸的同一批次的成品還存在齒面裂紋的缺陷及碳化物、殘餘奧氏體、馬氏體不合格等問題。

1.6 中間軸校正工藝複查

中間軸屬於長軸系零件，在熱處理過程中容易變形，需要對熱處理後的成品進行尺寸檢測，檢測不合格的產品需要進行校正。中間軸的校正方法及要求為：對試樣進行三點測量，如果三個點中的同軸偏差超過0.5 mm，就必須進行校正。校正的工藝為人為對零件進行下壓，使偏差減小，直到滿足技術要求為止。經複查該項工藝正常。

1.7 中間軸結構與表面粗糙度以及磨齒工藝

在設計中間軸時，1檔齒輪存在滾刀出刀位區域，1檔齒輪齒面滾刀出刀位處表面粗糙度為Ra6.3。查閱磨齒工藝得知，1檔齒輪齒面的磨削餘量為(0.3~0.35) mm，每次進刀量均不大於0.04 mm，磨削後1檔齒輪齒面粗糙度為Ra0.8。同時1檔齒輪磨削齒面與滾刀出刀位區域之間是平滑過渡的斜面，不存在應力集中的情況。

2分析與總結

通過對失效樣件巨觀分析發現，斷口邊緣無明顯塑性變形，裂紋經過的地方呈現疲勞帶，可以判斷為疲勞斷裂。出現這樣的情況是由於失效部位齒面裂紋受到循環的彎矩作用，裂紋尖端處反覆進行銳化和鈍化，如此重複就產生了疲勞帶。

通過對失效樣件及抽檢樣件進行硬度測定、金相組織分析、生產工藝的檢查，分析得出失效樣件斷裂的原因主要出熱處理過程的控制和校正後的零件檢驗兩個環節：

（1）失效樣件同一批次的中間軸在進行滲碳淬火時使用井式爐，這種熱處理爐的密封性能差容易導致熱處理的零件質量不穩定，從同一批樣件的碳化物與殘餘奧氏體、馬氏體的含量差別較大可以體現出來。

（2）由於中間軸零件屬於長軸系零件，熱處理工藝控制不嚴格容易產生變形，變形的零件在校正中容易造成局部應力集中並進一步產生裂紋。

（3）中間軸在進行校正流程後，工藝流程缺少探傷檢測環節，導致有裂紋缺陷的零件最終流入了成品庫。針對上述失效原因，結合樣品生產廠家的實際情況提出如下改進建議：

（1）更換熱處理設備，建議將井式爐更換為密封箱式爐。提高中間軸的熱處理質量及穩定性。

（2）加強對產品的檢驗質量控制，在工藝流程中增加探傷檢測抽檢環節，提高入庫成品中間軸的合格率。樣品生產廠家採納了上述建議並實施完成了技術改進，改進後的中間軸零件的質量顯著提高，中間軸在變速箱2檔進行200萬次循環次數試驗後未出現損壞，同時變速箱順利通過了疲勞台架壽命試驗。