十字轴裂纹产生原因分析

张焕可

摘要：万向节十字轴作为是汽车传动设备上的一个零部件，对整个传动系统都起着至关重要的作用。当车辆自身负荷变化后，尤其是当车辆在路况不好时行驶会产生较强的跳动及颠簸等因素，这些情况均会引起变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化，而万向节十字轴则解决了这个以变应变的问题。同时也正是由于万向节十字轴的这种核心作用致使其极易产生裂纹、剥落、甚至断裂等失效情况，从而降低了其自身的疲劳寿命。本文就万向节十字轴失效情况展开讨论并针对影响其疲劳寿命的因素进行简单分析，同时也为相关从业人员提供一些参考。

关键词：万向节十字轴;失效;疲劳寿命;原材料缺陷;加工工艺;润滑油脂

1  十字轴结构及作用

十字轴还可以称之为十字节，与万向节叉配合构成车辆传动系统的核心部件（如图1）。通过十字轴在万向节叉内的往复摆动，不仅可以实现变角度方向的动力传动，还可以改变传动轴线的位置。同时车辆通过这样的动力传递方式还可以消除其在路面上的颠簸，因此在汽车传动系统中具有举足轻重的地位。

2  原材料缺陷对十字轴失效的影响

从十字轴产生裂纹的外观特征分析，可能与原材料钢锭的缺陷有关。金属材料学及热处理中可知，当钢锭在加热到1200这个温度范围时，其自身存在的缺陷极易发生氧化现象，再者由于钢内部都含有一定的锰和钛等元素，而在加热时热气中的硫及空气中含有大量的氮的共同作用下，使得其在缺陷处很容易作用成氮化钛及硫化锰。再者由于后期钢锭模粗糙或清理不到位，也会致使在后期钢锭脱模空冷时形成裂纹。再者，后期的锻造工艺参数选用不合理也会造成材料出现缺陷及裂纹。比如锻造温度、锻造时的变形速度、冷却速度及应力状态等这些因素都会造成材料出现裂纹及缺陷。尤其是锻造时选取的温度高低及加热的时间长短影响最为突出。因为，如果锻造时温度过高或加热时间过长都会使合金内部晶粒粗大，同时也加剧了与热炉中的氧沿晶界进入发生氧化，使晶界的结合力大打折扣即合金的塑性变形能力大大降低，那么也就造成了锻造时会出现裂纹及应力变形的情况。

3  合理科学的加工工艺对十字轴裂纹产生的影响

在十字轴的磨削加工工艺中，总是会出现裂纹尤其是会集中在轴肩端面处（如图2）。经过多次不断的改进磨削各加工参数并进行了数次试验和验证后，证明了引起磨削加工时所产生的裂纹其主要原因是磨削时产生的磨削热。

我们知道十字轴在进行渗碳处理时，在其渗层组织中极易形成网状碳化物或者出现大量的游离状碳化物。那么这就造成了其硬度非常之高，于是在磨削时当轴面与砂轮接触时就会在瞬间产生极高的温度，致使十字轴面出现局部温度过高或发生表面回火的现象，从而使金相组织也随之发生变化。同时，由于受目前磨削技术限制，磨削时的切削液做不到完全、充分的冷却，即冷却不到切削区，那么表面层就不会产生二次回火因此最终的结果就是热塑性变形占据主导地位。也正是由于这种塑性变形的存在使其磨削后存在残余的拉应力，即引起了裂纹的产生。鉴于此，我们要想解决这个残余应力问题即降低磨削热就成了我们间接解决磨削裂纹问题的方法。首先，要选择硬度合适的砂轮磨料，要求磨料硬度高，并且要有很强的抗弯强度和耐热性。其次，选择湿磨的方法。即采用冷却系统来降低磨削区温度，并要求冷却液不仅可以有效的降低磨削时的温度还要具有及时冲洗磨削杂质的能力。而且冷却液内最好要加装过滤装置，以避免杂质损伤轴面产生裂纹。最后，合理选择磨削时砂轮转动速度及工件进给速度。砂轮转速要低，工件的转速要相对较高但进给量要小，从而降低磨削热量提高磨削质量。

4  润滑油脂的选用

润滑油脂的作用是分开十字轴表面和滚针的一层油膜（如图3）。

它对润滑万向节轴承是十分重要的。因为不仅可以起到润滑、降低摩擦和减小裂纹的作用，还可以助力汽车传动轴输送不断变化的速度、载荷并最大限度的消除汽车的颠簸感。那么，在选用油脂时除了要满足其可以分离滚针和十字轴表面这个条件之外，还要保证油脂的洁净度即降低其污染程度。因为如果润滑油脂中混入有固体污染颗粒或杂质同样会使十字轴表面与滚针发生极大摩擦，造成十字轴磨损甚至滚针崩裂等严重后果。所以，这就要求在装配时十字轴和油封座之间必须加装油封（如图4）。因为，油封可以把润滑油脂紧密的封存在油封座内，尤其是当车辆经过涉水路面，可以有效的防止水、泥沙及油污等進入十字轴内。

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