夹心取力器断轴故障分析及解决方案

张 明，郭雯静，孙振东，郭守山，张允学，许 涛

（中国第一汽车股份有限公司，吉林长春130011）

0 引言

取力器 （Power Take Off，PTO）是一组或多组变速齿轮，又称功率输出器，一般由齿轮箱、离合器、控制器组合而成，将动力输出至整车上装设备，使车辆实现行驶外的其他动力输出。根据动力输出形式的不同，通常可分为变速器侧部动力输出形式、变速器前部动力输出形式、变速器后部动力输出形式、发动机前部动力输出形式等。本文作者介绍的夹心取力器为发动机后部动力输出形式，从发动机飞轮取力，可实现全功率输出。主要介绍试验过程中，夹心取力器输入轴断裂的故障情况，通过材料工艺分析和CAE计算分析失效模式，对取力器结构、工艺进行改进，通过试验验证。

1 故障情况

整车进行可靠性试验时，由于夹心取力器输入轴断裂 （断轴见图1），发动机动力无法传递到传动系统，造成车辆无法行驶。

图1 输入轴断裂

夹心取力器安装在发动机后离合器前，从发动机飞轮取力（取力器布置见图2）。其主要功用是传递发动机动力到传动系统，用于车辆行驶；传递动力到整车上装系统，用于满足车辆行驶之外的其他动力需求，可持续输出动力，不受离合器的离合影响。取力器输入轴前端通过扭转减振器 （扭转减振器见图3）与飞轮联接，后端与离合器联接。动力自发动机通过扭转减振器传递给取力器输入轴，取力器输入轴通过离合器传递给变速器，形成车辆行驶的动力传递。

图2 取力器布置方案

扭转减振器 （见图3）通过螺栓安装在发动机飞轮上，具有离合器摩擦片相同的扭转减振功能，可减小传动系的振动和冲击。

图3 扭转减振器

2 材料工艺分析

取力器输入轴材料为20CrMnTi，锻打后正火处理，渗碳淬火，技术要求见表1。

表1 技术要求

对取力器输入轴材料、热处理进行检测，结果见表2。取力器输入轴的表面硬度、心部硬度、金相组织符合技术要求，有效硬化层深偏低 （取力器输入轴组织见图4、图5）。

取力器输入轴宏观形貌如图6所示：在花键啮合部分外侧至末端过渡圆角处，花键受扭曲剪切应力发生变形、开裂；花键末端过渡圆角处发生断裂，断口为多源疲劳断口，如图7所示。

表2 材料分析

图4 取力器输入轴表面组织

图5 取力器输入轴心部组织

图6 输入轴宏观形貌

图7 断裂截面形貌

花键啮合部分外侧齿面与花键末端圆角处均存在疲劳裂纹，裂纹源位于花键齿面 （变形区疲劳源位置见图8，扭转载荷疲劳源形貌见图9）。

图8 变形区疲劳源位置

图9 扭转载荷疲劳源形貌

断裂截面裂纹源位于花键齿面两侧圆角处，花键两侧的裂纹在径向方向均已延齿根扩展至输入轴3／4半径处 （径向裂纹见图7），在轴向方向裂纹延齿根扩展至花键啮合区外开裂部位附近 （轴向裂纹见图10）。

根据宏观分析，输入轴早期失效原因为扭转变形后疲劳开裂，花键齿中部及末端圆角处齿面均产生疲劳裂纹；花键齿根部为剪切开裂。

花键齿中部及末端圆角处裂纹由扭转变形产生的应力导致；花键齿根部开裂由扭转产生的切应力产生。分析认为花键齿中部及末端圆角处裂纹是初始裂纹，体现结构强度不足以抵抗冲击等工况载荷。

图10 齿根裂纹形貌

3 负载分析

取力器输入轴负载源于扭转减振器。拆解扭转减振器，发现限位齿两侧撞击痕迹明显 （撞痕见图11），说明故障车辆的发动机冲击扭矩超过扭转减振器极限扭矩，扭转减振器不能满足故障车辆的使用工况。实测扭转减振器极限扭矩不小于3 000 N·m（扭转特性曲线见图12），说明取力器的输入扭矩出现了大于3 000 N·m的冲击负荷。

图11 扭转减振器限位撞击痕迹

图12 扭转特性曲线

4 CAE分析

对取力器输入轴进行CAE计算，并与已经通过验证的变速器一轴对比分析，结果如表3所示，取力器输入轴花键齿根及末端圆角小，存在应力集中现象，最大主应力大于变速器一轴，计算寿命小于变速器一轴 （寿命计算结果见图 13、图 14）。

表3 原取力器CAE分析结果

图13 取力器输入轴计算结果

图14 变速器一轴计算结果

5 改进措施

为提高取力器输入轴使用寿命，需要减小输入轴的承载负荷，并对取力器输入轴结构进行优化，控制热处理工艺，提高输入轴的结构强度。

5.1 采用改型离合器

扭转减振器通过螺栓安装在发动机飞轮上，当传递扭矩大于扭转减振器极限扭矩时，扭转减振器刚性传扭，对取力器输入轴不再起到减振保护作用。改型离合器同传统离合器一样由摩擦片和离合器盖组成，没有分离结构。摩擦片通过离合器盖压紧在发动机飞轮上不分离，摩擦片通过花键与取力器输入轴连接，在保留扭转减振功能的前提下，通过摩擦片滑磨对取力器输入轴进行过载保护 （改进方案见图15）。

图15 扭转减振改进方案

5.2 优化取力器输入轴结构及工艺

取力器输入轴花键加工方式由立铣改为盘铣，增加花键齿根圆角及退刀圆角，避免出现应力集中。按要求进行热处理，保证有效硬化层深 （输入轴改进方案见图16）。

图16 取力器输入轴改进方案

6 验证措施

6.1 CAE计算

对改进取力器输入轴进行有限元计算，并与变速器一轴对比分析，结果如表4所示。

表4 改进取力器CAE分析结果

CAE计算结果所示：改进后取力器输入轴花键齿根应力集中现象改善明显，疲劳寿命、静强度均优于变速器一轴，可满足使用要求 （静扭计算结果见图17、图18）。

图17 取力器输入静扭计算结果

图18 变速器一轴静扭计算结果

6.2 静扭试验

对取力器输入轴原方案和改进方案进行静扭试验对比，改进后取力器输入轴的抗扭能力优于原方案，结果如表5所示。

表5 静扭试验

6.3 整车试验

换装改进输入轴的夹心取力器，整车完成全部可靠性试验，通过试验验证。

7 结束语

取力器输入轴断裂的原因是：扭转减振器传递的扭矩超过极限，未对取力器输入轴起到过载保护作用；取力器输入轴花键齿根及末端圆角过小，有效硬化层深偏低致使结构强度不足。取力器输入轴在持续冲击载荷作用下，扭曲变形后剪切疲劳断裂。

通过对故障件进行失效模式、材料工艺、有限元计算等方面分析，确认失效原因并提出改进方案，进一步通过计算、试验验证解决问题。