机械花键轴发生断裂的原因探究

张飞飞，王瑞良

（黄河科技学院，河南 郑州 459000）

对于机械花键轴来说，可分为渐开线花键轴以及举行花键轴两种，属于机械传动的范畴，与斜键、半圆键以及和平键具有相同的作用，可起到传递机械扭矩的效果。同时机械花键轴拥有应力集中小、承载能力高、互换性强、对中性以及导向性好的优势之处，所有在农业机械、机床制造业、拖拉机、汽车以及飞机等领域得到了十分广泛的应用。近年来，随着花键轴的广泛使用，机械花键轴断裂失效问题时有发生，同时其相关研究进程也随之开展。

1 实验结果与分析

对于机械花键轴来说，作为传动零件，一旦发生失效故障，将产生十分重大的机械安全事故。机械花键轴在飞机发动机上的应用是燃油增压泵的主要零件，其作用是将飞机发动机的部分动力向燃油增压泵进行传递；花键轴将燃油增压泵与机匣进行连接，一旦机械花键轴发生断裂现象，将使得燃油增压泵丧失部分功能。在某型号燃油增压泵花键轴进行工作的过程中，发生了断裂情况，这种机械花键轴花键为渐开线式花键，其材料使用了38CrMoAlA钢，同时花键表面经过渗氮处理。这种机械花键轴的传动方式为单项传动，转速约为8630r/min，其燃油增压泵的最大功率为42kW。本文主要对花键轴的断口以及宏观形貌进行了分析和观察，并测试了花键轴的形状尺寸、金相组织以及材料成分，并使用有限元模拟分析以及理论计算，从而对机械花键轴的断裂原因以及断裂性质进行确定。

1.1 宏观检查过程

本文所研究的机械花键轴断裂位置处于靠近与机械内花键配合端的花键轴最小轴径处。这种机械花键轴的传动方式是单向传动，所有花键应只具有单面的接触痕迹，所以在对花键的接触痕迹进行分析与观察后，可发现机械花键轴和机匣内花键啮合间隙处可能存在一定问题。

1.2 形状尺寸测量

在对机械花键轴的形状与尺寸进行测量的过程中，可使用投影仪、齿轮仪以及三坐标测量仪等工具。在对测量结果进行观察后，可发现这种机械花键轴的齿厚、齿向以及齿形都和相关图纸的要求相符，但发现断裂处轴径尺寸较小。针对图纸要求来说，要求断裂处轴径的尺寸要比实际测量尺寸大，因此没有对图纸的要求进行满足。

1.3 断口观察

对于该机械花键轴宏观断口来说，为星形断口形貌，在断口的微观形貌中，拥有十分明显的疲劳条带痕迹；其中心部位是瞬断区，拥有大量的韧窝。因此，在对断口处的形貌进行观察后，可发现该机械花键轴断口处属于典型轴的扭转疲劳断口特征，扭转疲劳破坏为其断裂性质。观察疲劳源区以及疲劳附近部位后也没有发现腐蚀现象，因此也不存在冶金缺陷的问题。同时，在对其化学成分进行分析的过程中，发现该机械花键轴的材料符合GJB 1951—1994的相关规定要求，因此其化学成分没有问题。

1.4 金相组织与硬度检查

对于机械花键轴来说，只有花键才要求进行渗氮处理，因此即使该机械花键轴的断裂处没有相应的渗氮层，但是，可发现整体机械花键轴在进行渗氮处理前做过调质处理，可针对HB 5022-1994《航空钢制件渗氮、氮碳共渗金相组织检验标准》的相关要求来评判该机械花键轴断裂处的金相组织，可发现断裂处的组织是回火索氏体，其级别为二级，由于这种机械花键轴零件的调质组织为1～5级，因此符合相关内容要求。最后，在对该机械花键轴的洛氏硬度进行测试后，可发现其硬度结果为34.5HRC，由于相关技术要求为30～37HRC之间，因此其洛氏硬度满足相关要求。

2 分析与讨论概述

获得试验结果后，可对其进行观察，发现机械花键轴所产生扭转疲劳破坏为其断裂性质，但机械花键轴的硬度金相组织满足要求，同时化学成分也达到了相关标准。对机械花键轴的断裂位置进行观察后，可发现花键轴的最小轴径处发生了断裂，并且这个部位的轴径较小。在对花键的接触痕迹进行分析与观察后，可发现该机械花键轴花键与机匣内花键啮合间隙存在一定问题。

对于该机械花键轴来说，其破坏性质为纯扭转破坏，同时其断裂位置处于该花键轴轴径最小处，所以可对该处位置针对设计要求进行扭转疲劳强度计算校核以及最大剪切应力校核。在计算最大理论剪切应力后，其大小为141.2MPa，同时，针对扭转疲劳强度条件公式可对该机械花键轴断裂处的工作安全系数进行计算，为1.6。

在对38CrMoAlA钢调制状态的疲劳安全系数以及抗剪切强度进行对比后，可发现该机械花键轴断裂处所设计的疲劳强度以及抗剪切强度符合相关要求。对于技术材料来说，要想产生扭转疲劳应对以下两个条件进行满足：首先，存在交变扭矩以及交变应力两个因素的存在；其次，该机械花键轴断裂处的疲劳机械小于交变应力幅。针对该机械花键轴来说，由于其性能、组织、材料以及设计强度都满足相关内容的要求，并且源区也未有腐蚀痕迹，同时不存在缺陷部位，所以可对花键的基础痕迹进行观察与分析，对花键轴花键与机匣内花键啮合间隙存在问题进行判断，所以可以判断出可能由于花键轴花键与机匣内花键啮合间隙存在问题，共振可能是导致该机械花键轴产生扭转疲劳断裂现象的主要原因，由于产生交变应力的原因便是共振，同时还可放大其现有能量，导致所形成的应力幅远大于疲劳极限，但以上结果只属于初步判断，共振是否属于该机械花键轴扭转疲劳断裂的产生原因，还需要进行深入分析与研究。该机械花键轴在第四阶模态下在断裂处产生了最大的相对振动应力。所以，如果针对工作转速来对Campbell共振图进行绘制的过程中，所发生的激振力频率和第四阶振型拥有相同、整数倍以及相近的固有频率，并具有一定的共振条件。

对于机械缓建洲的激振力频率来说，可使用公式：f3=KZ(n/60)进行计算，其中K可取1、2、3......；机匣所连接的花键齿数量为Z，此时可取为18，机械花键轴的转速为n，可取8630r/min。针对所绘制的花键轴Campbell共振图可发现，一旦K的值取为6时，转速为8630r/min时所产生的激振力频率和四阶振型固有频率发生相交的现象，所以可以发现机械花键轴的工作时拥有对四阶共振引发的条件。

其次，要想对机械花键轴判断是否拥有共振条件，激振力的产生原因十分重要，并且可对共振问题进行解决。对于激振力来说，一共可分为两种，首先为机械激振力，其次为气体激振力。而导致机械花键轴产生共振现象的激振力为机械激振力。因此，一旦花键或齿之间没有充分配合，将导致啮合存在间隙，使得花键与齿上形成周期性的激振力，并不断作用在轴上。针对机械花键轴花键合机匣内花键的接触痕迹进行分析后可对其激振力进行分析，可发现花键啮合存在间隙的主要原因可能与花键的装配过程、配合要求、形位公差以及加工尺寸有关，在对机匣内花键的压痕形貌进行检查后可发现燃油泵的定位销中有明显的毁坏痕迹，这种情况是由于装配不当所引起的。便可得到结论：首先，机械花键轴断裂性质为扭转疲劳断裂；其次，花键轴扭转疲劳断裂与共振有关，而共振可能是机匣内花键啮合间隙不当引起的。

3 结语

综上所述，机械花键轴的断裂性质为疲劳断裂，导致其产生疲劳裂纹的主要原因便是机械花键轴台阶过渡圆角区域具有马氏体组织。对于机械花键轴来说，主要是两部分进行焊接形成，主要在台阶圆角过渡处的热影响区产生疲劳裂纹，由于热影响区产生了脆度较高的马氏体组织，因此花键轴台阶圆角过渡部位的疲劳抗力下降，使其形成疲劳裂纹，最终产生断裂的现象，因此可使用整根材料开展锻造加工作业，或在焊接后对焊缝进行正火处理或退火处理。