发动机传动轴断裂模式分析

刘丽玉，戴锦楼，宋伟伟，刘德林，刘昌奎，赵 凯

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;3.中航工业失效分析中心，北京10009;4.总参陆航部驻南京地区军事代表，南京 210000)

0 引言

在飞机、汽车、船舶等大型运载装备的结构中，轴是非常重要的传动承力构件，由于轴断裂导致的失效会导致重大事故，国内外对涉及轴强度相关因素的分析研究非常重视，其中最重要的是轴的疲劳断裂［1］。根据轴件结构主要承受应力类型的差异，轴件的疲劳失效模式主要为弯曲、扭转以及轴向疲劳［2-5］，这几种疲劳失效模式在其断口上表现出不同的破坏形式和断口特征［6］。事实上，在工况和结构复杂情况下，轴件在工作过程中实际上同时受到几种载荷的复合作用，有关多维复杂受力状态下的断口形貌特别，其失效机理的深入研究很少［7-8］，尤其在直升机尾传动轴系构成直升机最长的传动链，负责向尾旋翼传递动力，其工作状态直接影响直升机的性能。直升机机动飞行过程中引起的附加载荷，更容易造成传动轴的破坏［9］。

发动机在外场服役过程中，其传动轴发生断裂并造成事故，在检查同类型发动机时也发现了传动轴存在掉齿和裂纹现象。传动轴的材质为30CrNi3 不锈钢，表面经氰化处理(厚度为0.2～0.4 mm)。本研究对发动机传动轴裂纹及断口进行分析，并对故障模式进行试验模拟，研究传动轴的断裂模式。

1 试验过程与结果

发动机传动轴为两端花键结构的弹性轴，前花键与自由涡轮轴相配，后花键和主动齿轮前轴承相配合，传动轴的外观形貌见图1。故障传动轴在其后花键距端部约25 mm 处发生断裂(图2a)，断口断面宏观上平坦、细腻，可见明显的疲劳弧线(图2b);除断裂的断口外，断裂花键上还可见螺旋状扩展的裂纹及V 型掉齿现象，螺旋状裂纹从断口处一直穿透至传动轴后端部(图3)。在裂纹附近还可见大量的裂纹分叉，逆着螺旋扩展的方向即往传动轴端部位置延伸，在距传动轴端部约6 mm 位置处可见崩齿和明显的三叉裂纹，初步判断为螺旋状主裂纹的源区，见图4 箭头所示位置。

图1 传动轴的外观形貌Fig.1 Appearance of the transmission shaft

图2 传动轴的裂纹及断口形貌Fig.2 Crack and fracture surface of transmission shaft

图3 传动轴断裂花键上的裂纹Fig.3 Cracks of the transmission shaft

图4 裂纹源区位置Fig.4 Source zone of fatigue crack

将传动轴断裂花键沿轴向切开，由于螺旋形裂纹已裂透至内表面，故切开后断口遂分成几块，每个断口上均呈现出典型的疲劳特征。根据裂纹断口上弧线收敛方向判断裂纹主疲劳源位于距后端部约6 mm 的花键齿底处，与宏观判断的疲劳裂纹源区位置一致。疲劳裂纹萌生后，先沿传动轴的径向扩展，当扩展穿透传动轴的径向厚度后，沿着轴向螺旋扩展，形成螺旋型扩展，由此在轴向切开后形成众多分块的断口形貌(图5)。主疲劳源呈线源特征，源区未见冶金和加工缺陷，但源区位置及附近可见大量的网状物形貌，分析认为网状物为氧化皮，为高温下优先氧化晶界形成的网状轮廓(图6)，表明传动轴经历了高温环境。此外，在疲劳裂纹扩展过程中，可见多处由齿底萌生的次疲劳源，次疲劳源萌生位置及扩展方式与主疲劳源基本一致(图7)。

图5 断裂花键轴向切开后的断口碎块Fig.5 Fragments of the transmission shaft

图6 源区及裂纹扩展前期网状物形貌Fig.6 The“web-like”form at the source and early propagation zone

2 分析和讨论

2.1 传动轴断裂性质及特点分析

传动轴断口上存在大量的疲劳大小弧线，表明传动轴的断裂性质为疲劳断裂。轴件的疲劳失效主要模式有弯曲、扭转和轴向疲劳［10］。一般典型的传动轴弯曲疲劳断口与传动轴轴线基本呈90°［11-13］;扭转疲劳断口则基本呈现锯齿状和棘轮状，对于花键轴，单纯在交变扭转应力的作用下，则可能在各个尖角处萌生疲劳裂纹，并同时扩展，最后在轴的中央汇合，中心为最后的瞬断区域，形成较为典型的星型断口［14-15］。此次故障断口与传统意义上传动轴疲劳断裂模式的断口均不相同。分析结果表明，故障传动轴主疲劳裂纹从距后端部约6 mm 处的花键的齿底处起源，先沿传动轴的径向扩展，之后从齿底处萌生多处次源，次疲劳源也沿传动轴的径向扩展，然后转向周向螺旋扩展(螺旋方向与传动轴的运转方向相同)。在扩展前期，裂纹的螺旋角较小，在扩展中后期，螺旋角逐渐增大，最后在距后端部约25 mm 处发生断裂，其疲劳裂纹扩展路径示于图8。该传动轴的断裂具有在弯曲应力和扭转应力复合作用下发生的疲劳断裂特征。因此，该传动轴在传递正常扭转力的同时，存在一定的弯曲应力，在弯扭应力的复合作用下导致疲劳裂纹的萌生并呈螺旋状的形式扩展并发生最终的断裂。

图7 裂纹扩展中期从齿底萌生次源特征Fig.7 The secondary source at the middle propagation zone

图8 传动轴裂纹扩展示意图Fig.8 Crack propagation of transmission shaft

2.2 断裂模式的模拟

为了进一步研究验证传动轴的断裂模式，进行了疲劳试验模拟。通过加工不同偏心程度的钢试样，即试样加工时使工作段轴线与夹持段的轴线有不同程度的偏移，形成不同偏心程度的试样，然后进行拉-扭复合疲劳试验。由于试样两轴线之间存在偏移，在拉力加载过程中，试样工作段会受到附加弯矩作用，即试样的受载方式为以扭转载荷为主的弯-扭复合载荷。该试验条件下不同偏心程度的试样疲劳口断口基本呈现出螺旋扩展及断裂的形貌(图9)，但由于故障传动轴为花键结构，其起源初期的扩展方向稍有所差异，但螺旋状扩展方式与传动轴断口形貌较为相似，验证了传动轴断裂模式是以扭转载荷为主的弯-扭复合疲劳断裂，即故障传动轴的受载方式为在交变扭转载荷作用下叠加了弯曲载荷。

2.3 弯曲载荷影响的有限元分析

为进一步研究附加弯曲载荷对花键轴受力的影响，对传动轴进行有限元建模。采用与故障一致的传动轴花键及主动齿轮内花键模型，外花键带动内花键转动，由于受系统限制，外花键的转速无法模拟工作实际转速，将模拟试验下的转速设为1 rad/s，可定性模拟弯曲载荷对花键轴应力分布影响。设定内花键5 个自由度约束，沿z 轴的转动自由度不约束，将外花键设置3 种载荷:1)无附加弯矩作用;2)存在200 N 的附加弯矩作用(即在2 个端面分别设置大小为200 N，方向相反的力);3)存在400 N 附加弯矩作用。模拟结果表明:当无附加弯矩作用(第一种载荷下)，传动轴仅受交变扭转载荷下，其最大应力位置位于传动轴后花键前端，即靠近R 转接位置，见图10a;当存在200 N 的附加弯矩时，最大应力位置由花键前端向后端转移;弯矩继续加大(400 N)，最大应力位置继续后移，模拟试验结果反映了最大应力位置随弯矩的变化趋势，即随着附加弯矩力的增大，最大应力位置越接近故障部位。上述结果表明，当外花键存在附加弯矩作用的情况下，不仅改变了传动轴花键上的应力模式，同时改变了花键上的应力分布，随着附加弯矩的增大，其位置有向外花键的端面移动的趋势。通过有限元的模拟，进一步验证了弯矩的存在以及弯曲载荷对裂纹萌生和裂纹扩展的影响，有限元的模拟结果与实际情况非常吻合。

图9 弯-扭复合疲劳试验后试样的断口形貌Fig.9 Fracture surfaces of bending-tension fatigue testing samples

图10 有限元模拟最大应力分布Fig.10 The biggest stress distribution by finite element simulation

因此，可以得出结论，传动轴在正常的扭转载荷工作过程中叠加了不正常的弯曲载荷，传动轴承受弯-扭复合疲劳交变应力，即导致发动机传动轴在传递扭矩的同时叠加了弯曲载荷，改变了传动轴花键上的应力分布，使得传动轴的裂纹扩展呈现螺旋形扩展。

3 结论

1)传动轴断裂模式为以扭转为主的弯-扭复合疲劳断裂。

2)弯-扭复合疲劳断裂模式的形成是因为传动轴在传递正常工作扭矩的同时叠加了不正常的弯曲载荷，呈现螺旋形扩展和断裂。

3)模拟试验和有限元分析确认了附加弯曲载荷的存在以及对传动轴断裂模式的影响。

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