汽车半轴断裂失效分析

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。

1概述汽车在正常行驶过程中，半轴的轴承位台阶R角处发生断裂，该车累计行驶里程约1万公里。

半轴材料为40Cr，基本加工流程：毛坯→锻造→机械加工→调质处理→中频淬火→磨削加工→磁粉探伤。

半轴技术要求参照《QC/T294-1999》，基本技术要求如下：在淬火区长度范围内预调质硬度为24~30HRC，中频感应淬火后杆部表面硬度为52~60HRC，断裂处直径φ40mm，淬火层深度要求为4mm~7mm。

本报告对失效半轴外观进行了检查，对断口进行了宏微观观察，并对半轴的金相组织、硬度和化学成分进行了检测，在此基础上确定了半轴的断裂性质，并对其断裂原因进行了分析。

2试验过程与结果2.1外观检查断裂半轴结构示意图见图1。

断裂发生在半轴φ40mm的沿圆周方向的R角处，该部位为中频感应淬火区。

为了方便描述，将远离法兰盘一端的断口标记为Ⅰ#断口，其法兰盘侧的匹配断口标记为Ⅱ#断口。

图1半轴结构示意图半轴Ⅰ#断口表面基本垂直半轴轴向，断面平齐，未见明显宏观塑性变形。

Ⅱ#断口断裂处R角处表面可见清晰的周向加工刀痕，半轴Ⅱ#断面附近R角处可见裂纹贯穿半轴侧表面。

2.2断口微观观察将Ⅰ#断口用丙酮超声清洗后放在扫描电镜下进行微观观察。

Ⅰ#断口断裂起源于表面，为明显的线源特征，源区可见较多的磨损痕迹；在扩展中后期，可见疲劳条带及磨损痕迹；较粗糙区域可见韧窝和二次裂纹，为瞬断区。

Ⅰ#断口断裂起源于表面，呈线源特征，源区磨损严重；扩展期可见疲劳条带。

2.3化学成分检测平行于半轴断口表面取样进行化学成分分析，结果见表1。

各元素含量均符合GB/T3077-1999标准要求，其中Mn含量稍偏上限。

表1半轴化学成分(wt%)所测元素测量值GB3077-1999C0.410.37~0.45Si0.220.17~0.37Cr0.990.8~1.1Mn0.850.5~0.8Fe余量2.4金相组织观察在φ40mm的半轴上距离断口约15mm处的部位横向取样，磨制抛光腐蚀后在光学金相显微镜下观察半轴横截面金相组织；可见环形淬火区。

交通科技与管理47技术与应用0　引言 汽车半轴是汽车传动总成中的一个重要零件，是连接差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其一端通过花键与半轴齿轮连接，另一端通过法兰与轮毂连接。

由于其特殊的工作条件，运行过程中会承受磨损、冲击、交变弯曲载荷和静扭转的作用。

要求生产半轴的材料具有足够的抗弯强度、抗剪强度和较好的韧性[1]。

通常采用40Cr、42CrMoH 等中碳合金钢，经适当热处理后，获得强度、塑形和韧性的良好配合。

某公司生产的半轴材质为40Cr，制造工艺为：下料-感应加热（1 150℃）-镦粗-摆碾法兰盘-打中心孔-调质（850℃保温1.5 h~2 h 水淬，550℃~600℃回火2.5 h 水冷）-抛丸-机加工-中频淬火-校直-精车。

使用情况如下，半轴整桥载荷5T，扭矩约14 000*0.6 N.m，行驶15 168公里，断裂10根，同批次共70根。

通过对断裂半轴进行宏观检验和电镜分析，结合半轴的金相组织、化学成分、热处理工艺等进行分析，确定造成其早期扭转疲劳的根源是中心孔制造工序设置不合理形成的应力集中，继而引发的淬火裂纹所致，调整半轴制造工序后，此类问题再无发生，本文结论同样可供类似产品借鉴参考。

1　宏观形貌 图1所示为半轴实物照片，断裂发生于法兰盘与轴的过渡部位，即变径区域，该处具有应力集中效应。

图2为半轴断裂处宏观形貌，根据断口形貌可将断面划分为A/B/C/D 四个特征区域，其中A 为中心孔底面；B 以A 边缘为源形成球形裂纹面；C 以B 为源发生二次扩展，扩展方向见图中红色虚线箭头，该区域呈棘轮状，具有扭转疲劳断裂特征；D 为瞬断区，表面洁净。

综上，宏观检查显示半轴表现为扭转疲劳断裂，起裂部位是中心孔底部边缘。

2　化学成分检查 在送检半轴断口附近取样进行化学成分分析，结果见表1所示，满足GB/T 3077-2015技术要求。

表1　送检半轴化学成分（wt%）试样名称C%Si%Mn%P%S%Cr%半轴0.390.240.660.0140.004 1.03GB/T 3077-20150.37~0.440.17~0.370.50~0.80≤0.035≤0.0350.80~1.103　微观形貌检查和能谱分析 将图1中轴侧断口采用无水乙醇超声清洗后放入扫描电镜中观察微观形貌并进行能谱分析，结果如图2和图3所示：（1）A 区域表面覆盖一层较厚的氧化铁皮；（2）B 区域表面虽被轻微氧化，但依稀可看出沿晶形貌，具有应力性开裂特征；（3）C 区域表面洁净无异物，未见氧化腐蚀迹象，为准解理断裂形貌，局部可见疲劳条带；（4）D 区微观形貌以沿晶断裂为主，这与表面采用感应淬火工艺相符。

汽车底盘内半轴断裂分析姜涛;刘德林;赵凯;孔焕平【摘要】Three half-shafts of a heavy truck fractured after running for hundreds of kilometers. The failure mode and cause were analyzed by macro and micro observation, metallographic examination, hardness testing and finite element simulation. The results showed that the root of the half-shafts firstly presented high stress torsional fatigue cracking and finally torsional overload fracture happened along the semi axis cross direction. Repeated large torque was the fundamental reason for fatigue fracture of half shafts. Stress concentration caused by the machining steps at the bottom of the spline groove and plenty of non-metallic inclusions on longitudinal direction further reduced fatigue resistance. Enhancing strength level and metallurgical quality, optimizing chassis design and spline groove structure should be implemented to avoid such failure.%卡车仅行驶数百公里就发生3起内半轴断裂故障。

K1300汽车半轴校直断裂失效分析作者：金林奎王春亮赵建国来源：《科技资讯》 2014年第14期金林奎王春亮赵建国(合肥市建元机械有限责任公司安徽合肥 230001)摘要:本文主要分析40Cr钢汽车半轴件,该工件用于载重汽车的传动部位,有很强的牵引力和扭矩力。

工件经调质处理及中频淬火,在校直时发现杆部开裂。

这批工件数量共有234只,除去这2根校直开裂件,其它工件都没有问题。

对两只失效件中的其中一件进行金相分析,检测结果表明,校直开裂的原因是工件在调质处理的高温回火后,水冷时间太短,引起高温回火脆性[1]。

关键词:调质处理中频淬火回火脆性中图分类号:U463.3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)05(b)-0066-021 状态说明(1)工件材质为40Cr中碳调质钢,工艺流程为:圆钢下料—两端花键及法兰锻造—高温正火—调质热处理—压床校直—杆部及花键中频感应淬火—油封磨削加工—浸油包装。

(2)正火处理工艺采用高温台车炉加热,920 ℃保温3 h出炉风冷。

调质处理工艺采用调质生产线加工,850 ℃保温2 h,淬入5%聚乙稀醇淬火介质,然后620 ℃保温2 h出炉水冷。

(3)工件调质处理及中频感应处理后,对热处理变形件进行压床校直,在校直过程中有两只工件的杆部发生开裂现象。

在垂直于裂纹的部位线切割截取样块,进行理化检测分析。

2 化学成分在样块上截取长15 mm×宽15 mm×厚10 mm的试样,进行化学成分检测,检测设备为Labspark5000精密直读火花光谱仪,检查结果表明化学成分符合材料标准要求[2]。

化学成分的检查结果(见表1)。

3 金相检验(1)试样经过镶嵌、预磨、抛光后,4%的硝酸酒精表面浸蚀,用1E-200M型金相显微镜进行观察。

金相组织显示裂纹垂直于工件表面,裂纹深度为10 mm左右,裂纹尾部与中频淬火过渡区的白亮区交接,由此确定裂纹深度与工件表面淬硬层相当(见图1)。

图2 1号和2号花键齿的宏观断口图1 断裂的半轴图3 3号花键齿的宏观断口键在制造工艺过程中存在先期裂纹的可能。

图4 花键齿的微观形貌特征图5 花键裂纹源区能谱分析1.4 花键齿金相分析垂直于轴向切取1号、2号和3号花键进行金相分析。

其中1号花键齿齿腰也有裂纹，且裂纹已经快扩展到齿根，齿底也可见明显的裂纹。

齿根裂纹起始区未见任何宏观夹杂，也未见脱碳、非马氏体组织，以及异常的R角过渡等问题。

2号花键齿和3号花键齿断裂的位置相似。

2号和3号花键齿都从节圆处起始，裂纹起始区均未见任何宏观夹杂、脱碳和非马氏体组织等缺陷，齿根也都未发现显微裂纹。

按照标准GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对整个齿面进行夹杂物评级，未见A、B、C类夹杂，D类夹杂约0.5级，花键齿部的夹杂无异常。

学术|制造研究ACADEMIC纹，其他花键齿底部均未发现裂纹，花键齿的表面未发现异常的夹杂、脱碳及非马氏组织等缺陷。

齿根唯一的缺陷是存在条痕，尽管齿底条痕会造成一定的应力集中，使疲劳裂纹优先从此处萌生。

但是从金相分析结果判断，条痕缺陷在各齿底部均存在，只有1号齿裂纹丛此处起源，而且1号齿的金相上，另外一条裂纹起源于条痕缺陷的下方。

所以综合判断，条状缺陷不是导致齿底开裂的主要原因。

而且可以排除齿根存在脱碳、夹杂及非马氏体组织等缺陷，从而造成花键断裂的可能[3]。

2 失效原因分析2.1 对花键断口分析对花键端口综合分析结果表明，1号花键的断裂为疲劳断裂。

疲劳起源于齿底条痕处，裂纹源微观形貌特征为沿晶，但是并没有发现氢脆、回火脆的特征，而且沿晶区也可看到疲劳形貌。

可以判断，疲劳裂纹起源于齿底表层，因为表面进行了感应淬火处理，淬火硬化层在复杂的应力条件下出现沿晶疲劳形貌是正常的。

花键的疲劳断裂和表面硬化层的热处理无关。

2.2 花键断裂源区能谱及金相分析通过对花键断裂源区能谱及金相分析，可以排除花键齿根存在脱碳、折叠、夹杂以及原始裂纹等其他缺陷的可能。

案例分享：发动机曲轴的断裂失效分析展开全文断裂失效是指金属、合金材料、机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程，断裂是发动机曲轴在运行过程中的主要失效形式，且疲劳断裂居首位，占失效实例约60%，对企业生产和经营造成巨大浪费和损失。

曲轴断裂失效分析特别重要，可以防止同类失效现象的重复发生，为改进设计及加工工艺提供依据，消除隐患确保产品安全可靠等，同时也是企业节能增效的有利途径。

一、曲轴断裂简介曲轴作为发动机核心零件之一，由于加工基准在曲轴中心孔和主轴颈间经常转换，产生基准不重合误差，再加上各轴颈加工精度高和轴类零件加工过程中刚性差的特点，是发动机本体五大件中加工质量最难保证的零件。

同时，曲轴又是把燃烧气体推动活塞进行直线运动转变成回转运动的桥梁，曲轴的旋转运动是整车或发动机的动力源，因此曲轴的寿命是发动机考核的关键指标之一。

由于曲轴在工作中承受交变载荷，主轴颈和连杆颈圆角过渡处属于曲轴强度的薄弱环节，长期的高速旋转运转和较大的交变负荷应力将造成曲轴圆角处产生裂纹或断裂。

轴颈圆角处、轴颈表面如有缺陷，将成为裂纹源，易造成曲轴的早期非疲劳断裂。

裂纹源一般位于连杆颈R角处，沿着约45°方向往曲柄梢扩展，最后断裂，包括裂纹源、裂纹扩展、断裂三阶段。

如图1、图2所示。

曲轴的断裂大多是突然发生，易引起人员的伤亡和机器的损坏，造成的损失非常巨大，是曲轴生产厂家生产经营中特别关注的课题。

二、曲轴断裂分析曲轴断裂的原因主要有以下几种情况：1.机加工不符合要求（1）曲轴制造质量不好，加工粗糙、材质不佳，达不到设计要求。

（2）各缸工作不平衡，活塞连杆组重量偏差过大，引起曲轴受力不均而导致断裂。

（3）冷校直也是曲轴断裂的一个原因。

因为校直是塑性变形，会产生微裂纹，大大降低了曲轴的强度，因而在交变载荷的作用下，会导致曲轴断裂。

（4）各道主轴承中心线不同心，使曲轴受交变压力的作用，导致曲轴断裂。

造成主轴承不同心的原因，除了缸体热处理过程中自然失效机体本身变形引起的以外，往往还由于维修装配或刮瓦时主轴承不同心引起。

某驱动桥半轴套管断裂分析和优化设计发表时间：2018-10-29T10:11:01.057Z 来源：《知识-力量》2018年11月上作者：张瑞华穆玉峰[导读] 后桥是汽车的关键零部件，起着承受载荷和扭矩的作用，一旦出现断裂，将严重影响乘客的生命安全，故对其失效模式分析尤为重要。

本文对一款新型后桥在道路试验过程中发生半轴套管断裂的失效模式进行分析，通（精诚工科汽车系统有限公司，河北保定 071000）摘要：后桥是汽车的关键零部件，起着承受载荷和扭矩的作用，一旦出现断裂，将严重影响乘客的生命安全，故对其失效模式分析尤为重要。

本文对一款新型后桥在道路试验过程中发生半轴套管断裂的失效模式进行分析，通过材质检测及理论计算，对失效因素进行排查。

最终找到失效原因，并提出改进措施，避免再次失效，对提高汽车的安全性意义重大。

关键词：驱动桥；半轴套管；断裂引言驱动桥壳起着支撑汽车载荷的作用，同时还要承受制动载荷、静载荷所引起的较大弯矩和扭矩。

一旦桥壳出现断裂，将会影响整车安全，故对桥壳断裂失效模式分析意义重大。

现某公司有一款新设计后桥在搭配汽车进行道路试验可靠性试验过程中，行驶至强化路的石坏路时，左后驱动桥半轴套管发生断裂，需立刻分析原因并制定整改措施，避免再次失效断裂。

1、基本情况某厂生产的两根不同批号的汽车半轴套管在使用过程中发生断裂，断裂情况类似，均发生于中的R2.5mm过渡圆角处。

对其中一件半轴套管进行了断裂分析。

图纸要求半轴套管采用45Mn2钢管生产，产品硬度要求为220~270HBW。

2、加工工艺分析将该桥的未断裂边拆解后，需对轮毂内轴承颈R角进行测量为4mm，设计要求为4～4.4mm，故该内轴承颈R角是符合设计要求，但在R 角根部与轴承颈之间存在一台阶，此台阶在设计中是不存在的，此处R角仅有1mm，将会引起应力集中，容易产生裂纹。

针对台阶产生的问题进行一番调查后，发现是由于轴承颈需要经过粗车-精车-磨削三个步骤，在实际操作中，磨削轴承颈时并未磨轮毂内轴承颈R角，导致产生台阶。

第一章绪论1．1 微型车后桥简介后桥位于动力传动系统的末端，是汽车底盘的重要组成部分之一，是影响汽车承载力、运行平稳、动力性等的关键部件。

其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩，并将动力合理地分配给左、右驱动轮，另外还承受作用与路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力。

驱动桥一般由主减速器、差速器、半轴总成、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。

对于研究后驱汽车承载力、运行平稳性、动力性等相关性能后桥力学强度分析相对整车来讲是十分必要的。

一段时间以来我公司货车后桥半轴出现在后桥装配到整车后，试车时发生后桥半轴断裂的情况。

后桥半轴为汽车后桥的关键重要部件特为此半轴断裂件做全面的分析研究以确定发生断裂的原因，确保以后杜绝此类现象的发生。

1．2后桥半轴等部件设计的要求及力学分析的必要性后桥总成设计应满足如下基本要求：1）所选择的主减速比应能保证汽车具有最佳的动力性和燃料经济性。

2）外型尺寸及质量要小，但要保证必要的离地间隙。

3）齿轮及其他传动件工作平稳、噪声小。

4）在各种转速和载荷下具有高的传动效率。

5）在保证足够的强度、刚度条件下，尽量质量小，尤其是簧下质量小，以改善汽车平顺性。

6）与悬架导向机构运动协调。

7）使用寿命要长，结构简单，结构性能应满足使用要求，制造方便，维修容易等。

8）必须符合汽车行业相应标准和法规要求。

为了适应激烈的市场竞争，满足用户需求，企业需要开发出高品质、低价位的新产品汽车，后桥作为后驱车的一个关键部件，其质量对整车的安全性能有重要的影响。

微型车桥壳采用整体式，钢板冲压式焊接结构，主减速器采用准双曲面锥齿轮，采用单级减速、主动齿轮采用悬臂式支承，半轴采用半浮式结构。

因而对其相关主要部件进行有效的力学优化分析与设计是非常必要的。

第二章后桥半轴结构特点从差速器传出来的扭矩经过半轴轮毂最后传给车轮，所以半轴在传动系中是传递扭矩的重要零件。

半轴因受力情况不同分为全浮式、半浮式、3/4浮式。