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汽車半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞及半軸扭轉(zhuǎn)疲勞性能研究

2019-02-12 14:33:08·  來(lái)源：鍛造與沖壓  作者：李金波，范全保  
　
半軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要運(yùn)動(dòng)部件之一，兩端分別與半軸齒輪和車輪連接。半軸在服役過程中，既要承受較高的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力，又要保證復(fù)雜工況下隨機(jī)變幅載荷導(dǎo)
半軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要運(yùn)動(dòng)部件之一，兩端分別與半軸齒輪和車輪連接。半軸在服役過程中，既要承受較高的扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力，又要保證復(fù)雜工況下隨機(jī)變幅載荷導(dǎo)致的疲勞斷裂，因此材料的疲勞性能必須達(dá)到要求值才能保證構(gòu)件的壽命。影響半軸疲勞性能的因素很多，有原材料質(zhì)量、半軸加工工藝、熱處理工藝等，其中原材料質(zhì)量對(duì)于半軸疲勞性能的影響較為關(guān)鍵，研究半軸原材料質(zhì)量對(duì)半軸疲勞性能的影響具有重要意義。
 
本文以邯鋼汽車半軸用鋼40CrH和以40CrH為原材料生產(chǎn)的乘用車半浮式半軸為研究對(duì)象，通過進(jìn)行汽車半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和乘用車半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗(yàn)，研究了基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH技術(shù)指標(biāo)條件下汽車半浮式半軸的疲勞性能，為相關(guān)半軸用鋼及汽車半軸的開發(fā)提供指導(dǎo)。
 
試驗(yàn)材料及性能
本文研究的汽車半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)和乘用車半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗(yàn)材料均采用以下生產(chǎn)工藝和性能指標(biāo)條件下的φ70mm 規(guī)格40CrH圓鋼，其生產(chǎn)工藝路線為：轉(zhuǎn)爐冶煉+LF+RH→連鑄380mm×280mm→開坯軋制150mm×150mm→棒材軋制φ20～90mm?；瘜W(xué)成分見表1。
表2所示為40CrH力學(xué)性能檢測(cè)，40CrH力學(xué)性能指標(biāo)滿足GB/T3077中40Cr鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，熱軋態(tài)布氏硬度190～220HB；表3所示為40CrH淬透性平均值，40CrH淬透性J9值43～47HRC，J15值31～35 HRC，實(shí)現(xiàn)了淬透性窄帶寬下限控制。
表3 40CrH淬透性平均值（HRC）
40CrH圓鋼低倍組織未發(fā)現(xiàn)目視可見的殘余縮孔、氣泡、裂紋等缺陷，中心疏松≤1.0級(jí)，一般疏松、中心偏析、錠型偏析≤0.5級(jí)，無(wú)一般點(diǎn)狀偏析和邊緣點(diǎn)狀偏析缺陷，檢測(cè)結(jié)果見表4。
40CrH圓鋼非金屬夾雜物A類、B類、D類非金屬夾雜物級(jí)別≤1.5級(jí)，無(wú)C類非金屬夾雜物存在，檢測(cè)結(jié)果見表5。
40CrH圓鋼晶粒度7.5～8.0級(jí)，脫碳層0.20～0.50%D（直徑），帶狀組織≤2.0級(jí)，1/3熱頂鍛檢測(cè)和酸浸塔形發(fā)紋檢測(cè)合格，如表6所示。
 
汽車半軸用鋼40CrH旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)
 
旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)主要用于測(cè)定承受彎矩的旋轉(zhuǎn)軸類材料，其主要原理是在旋轉(zhuǎn)試樣施加恒定的彎矩，以測(cè)定材料的疲勞極限、繪制材料的P-S-N曲線。本文在汽車半軸用鋼開發(fā)階段進(jìn)行半軸加工工藝模擬，并開展旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，研究半軸原材料質(zhì)量對(duì)半軸疲勞性能的影響。
 
試驗(yàn)樣品為邯鋼φ70mm規(guī)格40CrH圓鋼，采用與用戶半軸產(chǎn)品相同的鍛造及熱處理工藝后進(jìn)行制樣，試樣的加工流程為下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工，試樣硬度為26～28HRC。
 
試驗(yàn)用試驗(yàn)機(jī)為QT900-2旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，試樣加工為圓柱形。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T4337-2015進(jìn)行，采用成組法。試驗(yàn)可得：（1）隨著試驗(yàn)應(yīng)力的降低，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞平均循環(huán)次數(shù)呈對(duì)數(shù)增加，繪制出P-S-N曲線如圖1所示；（2）汽車半軸用鋼40CrH旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞存活率50%的疲勞壽命下限值為366.7MPa，存活率90%的疲勞壽命下限值為343.0MPa，存活率95%的疲勞壽命下限值為341.0 MPa，P-S-N擬合曲線關(guān)系式如表7所示。
圖1 P-S-N曲線
半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗(yàn)
 
半軸的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗(yàn)是指半軸試樣在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)下，以一定曲率半徑在一定回轉(zhuǎn)頻率扭轉(zhuǎn)變形過程中試樣耐疲勞破壞能力的試驗(yàn)。
本文中半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命檢測(cè)采用某品牌乘用車半浮式半軸三個(gè)型號(hào)的樣品，每個(gè)型號(hào)試驗(yàn)5根，其半軸加工工藝為下料→加熱→楔橫軋→鍛后余熱淬火→回火→機(jī)加工→表面熱處理→精加工。試驗(yàn)半軸樣品試驗(yàn)參數(shù)如下。
 
試驗(yàn)參數(shù)及檢測(cè)條件
乘用車半浮式半軸，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩Memax=310N·m；輪胎滾動(dòng)半徑r=358mm；變速器I檔速比ik1=4.12；主減速比i=3.9；分動(dòng)器抵擋速比ip=2.48；滿載軸荷P=15.533kN；半軸懸臂長(zhǎng)度L=56.1mm。
 
采用交變非對(duì)稱循環(huán)載荷加載。最大試驗(yàn)扭矩Mmax=2446N·m；最小試驗(yàn)扭矩Mmin=222 N·m；試驗(yàn)頻率f=8.8～9.2Hz 。
 
試驗(yàn)結(jié)果與討論
經(jīng)檢驗(yàn)，采用邯鋼40CrH加工的某品牌三個(gè)型號(hào)汽車半軸樣品扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗(yàn)的中值壽命B50≥80.0×104次。
 
結(jié)論
（1）基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH生產(chǎn)工藝、性能指標(biāo)及半軸加工工藝，半軸用鋼旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞50%存活率疲勞壽命下限值為366.7MPa。
（2）基于邯鋼汽車半軸用鋼40CrH生產(chǎn)工藝、性能指標(biāo)及半軸加工工藝，加工的乘用車半浮式半軸扭轉(zhuǎn)疲勞中值壽命B50≥80.0×104次。
 
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