万向节十字轴精密锻件设计实例.doc

齐齐哈尔大学机电工程学院综合实践万向节十字轴精密锻件设计实例 齐齐哈尔大学机电工程学院班级:机械082班姓名:姜巍学号:2008111016指导教师:刘尚时间：2010年11月5日目录一.摘要.2二.设计步骤.2三.设计及改进过程.2I. 万向节的失效形式.2II、从失效形式进行设计改进.5III、成形方案的确定.6IV、模具型腔设计准则.7V.金属变形过程分析.8VI.工艺力计算.9VII闭塞锻造十字轴工艺优化(三维数值模拟).10四.总结.13五.参考文献.13万向节十字轴精密锻件设计实例作者:姜巍齐齐哈尔大学机电工程学院机械082班摘要:本文通过分析万向节的失效形式和建模仿真了解万向节的结构和强度缺陷,进而对万向节的结构及制造过程进行改进,取得最优的设计方案.关键词:万向节 锻压 失效形式Abstract: By analyzing the failure modes and cardan modeling simulation to understand the structure and intensity of universal defect, then try to improve the structure and the manufacturing process, and get the best design scheme.key words cardan forging Failure forms一.设计步骤I万向节的失效形式II.从失效形式进行设计改进III.成形方案的确定IV.模具型腔设计准则V.金属变形过程分析VI.工艺力计算 VII闭塞锻造十字轴工艺优化(三维数值模拟)二、设计及改进过程I、 万向节的失效形式万向节常常因为十字轴本体与轴颈台肩设计不合理和十字轴上的滚针压痕及轴承漏油磨损的过早破坏，满足不了用户对万向节寿命的要求。本文意在通过全面分析对产品的综合性能进行设计改进，提高万向节的寿命。万向节（见图1）的主要作用是在不同轴线上的轴之间传递旋转转矩，它被广泛应用于各类卡车的传动轴联接轴节叉之间，通常在使用过程中万向节十字轴上的滚针轴承不是作旋转运动，而是作旋转摆动的运动，其载荷呈交变的周期变化。本文通过对重型载车用WX0082万向节十字轴总成寿命不足失效件的失效形式、失效原因、结构参数及材料等方面采用有限元分析和性能对比等方法进行全面分析，对产品的综合性能进行了设计改进。图1 万向节失效机理分析1.斜压印笔者从某公司三包服务处提供的三包退回失效件中观察到，十字轴轴颈斜压印情况比较严重，轴承套圈内壁也产生相应的压印，但深度要比十字轴轻。经分析，安装在万向节总成上的轴承，当轴承圆周总间隙较大时，滚针易产生歪斜，致使十字轴轴颈产生与轴线倾斜一定角度的压印，当压印深度扩展较深时，滚针就不能自转，因此使摩擦阻力增大，加剧压痕的延伸。其合适的圆周总间隙应控制在0.10.4mm范围内，JB/T3232中给定的圆周总间隙为不超过0.5mm。2.疲劳剥落在传动轴摆角较小的使用状态下，万向节总成上的滚针轴承内径与十字轴轴颈在较小角度范围内反复摆动，当十字轴与轴承径向游隙随着磨损而扩大时，会导致产品载荷集中，载荷大的地方就会过早地产生疲劳压痕，从而发展成为大面积的疲劳剥落。特别是在十字轴轴头处，由于应力集中影响，其受载部位的倒角几乎全部被啃掉，严重时会在高温状态下出现烧结现象。3.缺油烧蚀由于在使用过程中用户不按期加注润滑油或由于万向节上的轴承密封不好，导致轴承早期失油以及防尘罩材料不耐低温，油封唇口在冬季寒冷气候下产生老化裂纹，使润滑脂早期流失。另外，万向节总成在运行中因缺油而产生高温，使轴承与轴径咬死，致使滚针折断以及密封和防尘外罩损坏，套圈表面有烧蚀痕迹，这种失效形式均属于非正常失效形式。4.滚针失效笔者从万向节总成失效样品中观察发现，大多数滚针表面都存在麻点、麻坑和大面积疲劳剥落，少数滚针头部被折断，少数滚针在离滚针头部1.5mm左右处存在较大麻坑和啃伤现象，滚针断裂大部分也是从此处断裂，这种情况的发生主要与轴承结构尺寸参数及圆周总间隙设计有关。5.垫片失效垫片是万向节总成中首先失效的部件，垫片失效形式为尼龙垫片断裂和磨损。笔者仔细分析失效垫片样品发现，垫片的外围有明显的裂纹，垫片外围有裂纹及碎片。很明显，垫片外围是垫片受涨力致使应力集中的地方，一旦垫片外围破坏，其轴向力将全部由余下的垫片承受，垫片单位面积上承受的力将增加，整个垫片将被破坏。因此需要设计合理的垫片形状和轴承结构。同时，由于垫片每次失效破坏都伴随着磨损失效，所以垫片材料必须选取强度和耐磨性较高的材料。6.十字轴断裂十字轴的断裂一般是在用户严重超载前提下或异常因素条件下发生，因为万向节在设计时完全遵循部标准JB/T8925-2008中万向节静扭强度安全系数2.5倍的规定，但在主机厂三包期内发生的故障比例仍占总故障的25，此种情况虽然是突发性的，但也不可避免，因此对万向节的静扭强度匹配，必须在发动机最大输出扭矩的3倍以上才能避免特殊超载引起的突发性故障的出现。7.金相检验分析对失效件进行理化分析，分别在十字轴、套圈和滚针的典型部位选择特征位置，切割下试件，并沿纵截面制取金相试样，其金相组织级别合格。为确定十字轴、套圈及滚针的心部硬度，用显微硬度计分别对各零件进行了维氏硬度梯度分布测定，其硬度也基本符合硬度分布规律。取万向节的十字轴、外圈各一试件及数个滚针试件，在50%盐酸水溶液中加热至7080，加热约1h，作热酸洗检查，结果发现各零件在使用过程中都存在烧伤现象。这种烧伤现象判断是由于万向节密封性能差失油及油脂性能不好，导致万向节轴承发热后各零件烧伤过早失效。II、从失效形式进行设计改进1.十字轴的强度设计改进通过对该产品进行有限元分析，发现轴颈台肩根部R小，而且是车加工形成，粗糙度差，应力集中，决定对十字轴加大台肩根部圆角，并采用数控成形磨削，改进设计后的十字轴再用有限元分析，结果应力值从改进前的234MPa降低至改进后的176MPa（见图2），应力值下降了24。经过对改进前后产品进行静扭强度试验，静扭强度从28 000N m提高到35 000N m以上，提高幅度达25，改进后的静扭强度安全系数从2.5倍提高到3倍以上，因此，可以有效防止顾客超载使用条件下引起的十字轴断裂。2.垫片设计垫片失效形式为破碎和磨损，会使十字轴轴向窜动，加快万向节的磨损，因此应首先增强垫片的强度和耐磨性，改善垫片受力情况，避免应力集中。改进前后，垫片结构及套圈和滚针配合情况对比如图2所示。从图2(a)可以看出，在十字轴的轴向力冲击垫片时，由于垫片周围被轴承的退刀槽悬空，垫片周围成为受力延伸扩涨的薄弱环节。同时，垫片外端与退刀槽接触点由于不是平面接触，也会形成应力集中现象。这样，在十字轴反复的冲击载荷的作用下产生应力集中现象，因此使垫片周围被破坏，由于垫片上单位面积上的压力增加，从而使整个垫片破碎。改进后的垫片结构如图3(b）所示，它完全避免了上述现象发生，同时，还消除了滚道退刀槽和滚针的接触，使滚针受力均匀，不产生应力集中，避免了滚针在端面产生凹坑、啃伤和折断的可能性，使滚针的有效接触长度加长，从而使万向节寿命延长。图2 改进前后结构图3.滚针对数凸度设计改进在滚子轴承中，由于直素线滚子与滚道之间接触压力呈奇异分布，而导致轴承发生早期疲劳失效。因此，滚针带凸度是消除滚针应力集中、提高滚针轴承使用寿命的主要措施之一。考虑到万向节工作是在大角度下反复摆动，受交变应力作用，滚针在转动过程中有可能发生歪斜，使滚针和轴颈接触长度变短，以及考虑到加工工艺、加工成本影响（采用圆弧全凸素线成型结构设计，此种滚针的制造可使用滚动式窜撞方式成形，生产效率高、成本低），此次改进选择了圆弧全凸素线型滚针替代原结构直素线滚针，避免使用过程中断裂的可能性。4.密封结构改进汽车传动轴的设计越来越小型化，因此万向节安装密封的空间较小。另外，由于万向节直接受使用过程中的泥水的冲击，必须采用过盈接触密封。与一般情况下的密封不同，这种过盈密封接触面，由于作往复的摆动运动，密封面上的润滑脂易被挤出，接触面容易发生磨损，所以，要得到长期的良好的密封性能，就应尽量减少密封及其接触面双方的磨损，密封接触面的补油要充分，密封接触压力不要过大，因此需设计成补充预紧力的结构。另一方面，在使用过程中，泥沙和水是从轴承的上口部侵入，因此密封唇口要考虑向上呈止推的斜面。针对这些因素，设计人员对原密封结构进行了以下改进：(1) 设计柔性接触式密封把原密封结构的硬挤压式接触密封，改成柔性止推斜面接触密封，使接触面润滑油的补充更容易，轴向预紧力小，磨耗少，密封性能变化很小，因此，柔性止推斜面接触比挤压式接触性能更优越，磨损寿命长。(2) 设计增设防尘唇为了防止主密封接触面受泥水的冲击或干燥的灰尘进入，有必要增设防尘唇，因此选取了两个主密封唇和一个防水防尘唇作为接触唇。(3) 设计合适的密封预紧力主密封面选在十字轴或轴承的圆柱面。由于圆柱面尺寸误差可以加工得很小，从而减小了密封唇的过盈量偏差。而原结构把其中一个主密封选择在十字轴轴肩直径处面接触，密封唇与十字轴轴颈根部倒角处相抵触，通常与密封唇相配的配合面的粗糙度要求在3.2m以下。如果表面粗糙度值上差，就会使密封唇口磨损加剧，从而产生漏油。本次改进是将一个主密封唇口和另一个防水防尘唇口的密封过盈量进行调整，过盈量从单边0.100.15mm调整为0.150.25mm，从而大大提高了密封效果。5.防尘罩设计改进防尘罩在低温状态下老化变形严重，通过主机厂了解，由于我国东北地区及出口欧洲地区的冬季气温达到-35-20，而我们所使用的尼龙66材料低温脆性温度为-20左右，耐寒性差，因此尼龙材料在低温状态下容易产生性能的变化，致使防尘罩硬化变形龟裂甚至断裂。设计人员改进设计使用了一种钢制骨架胶合橡胶硫化成形的防尘罩，通过试制试验，密封效果好，而且解决了低温环境下万向节的密封性能。6.万向节油脂对比分析改进原结构万向节一直选用的油脂是复合锂基脂，这种油脂是在二号汽车通用锂基脂基础上增加了一些添加剂来提高万向节的极压性能及滴点，其指标为滴点大于250，使用温度-30120，极压性能高达2 800N。虽然此种油脂性能比二号汽车通用锂基脂优越，但根据卡车使用环境条件的恶劣状况，已不能满足实际使用的三包里程要求，通过查找各种润滑脂的性能，发现某公司生产的一种复合尿基脂的指标为滴点大于280，使用温度-30200，极压性能高达9 800N，它的耐高温性能及极压性能均比复合锂基脂要好，通过典型产品性能对比试验，使用此种复合尿基脂的磨损寿命比使用原复合锂基脂寿命长70以上，为此，我们针对该万向节选用了此种油脂代替原复合锂基脂，并在万向节系列产品中推广应用。结语通过对WX0082万向节失效件的全面分析，改进后的万向节静扭强度提高了25%以上，同时通过对万向节密封结构设计、滚针的对数凸度设计、轴承尼龙垫片、防尘罩的改进及润滑油脂的改进，大大提高了万向节的磨损寿命，使万向节的使用寿命从1年行驶20 000km提高到2年行驶50 000km，经过客户1年多使用反馈的信息，故障率降低了60以上，取得了良好的经济效益及社会效益，此经验在其他产品寿命分析提高上得到广泛应用。III、成形方案的确定汽车万向节十字轴是典型的枝杈类锻件，如图3所示，其形状特点中心部为球台，外围均布三或四个轴颈。由于完全轴对称，分模面应选在最大投影面上。当中心球体体积相对整个零件较大时，适合于水平分模方式，这样可以利用球部作为中心孔放置较粗的坯料挤压成形，避免了挤压细长坯料受长径比的限制。对于这类十字轴采用垂直于分模面的两个冲头双向挤压要比一个冲头单向挤压合理。单向挤压将使金属流动距离增大一倍，对模具寿命不利；而且金属进入侧腔轴颈后，因不对称流动容易出现死角。综上分析，十字轴成形方案定为水平分模，两冲头双向挤压成形。 图3. 万向节十字轴精密冷锻件图 IV、模具型腔设计准则 闭塞锻造模具型腔的设计，除遵照锻件图的要求外，还需注意下述三个准则。a.挤压冲头直径设计准则 由于闭塞锻造以挤压成形为主，在相同条件下，金属流动距离越短，对于成形和减少型腔磨损越有利。同时当坯料重量一定时，大直径毛坯比细长杆毛坯容易成形。因此挤压凸模直径设计原则是：在锻件形状允许范围内，挤压凸模直径尽量取大值。这既减少金属流动距离，也提高了挤压凸模强度。 十字轴挤压凸模直径选为17mm，同时还要考虑挤压凸模和型腔球台部分不可相切，要留有一定距离，否则相切处容易磨损出现圆角。一般留有0.51mm宽带。b.金属坯料直径选取原则 由于闭塞锻造坯料重量控制较严，余料很少。坯料放入凹模孔后如有较大间隙则坯料可能偏歪，造成锻件局部缺料而充不满。这就对坯料直径有一定要求，其选取原则是：在放入模孔顺利的前提下，其放料间隙尽可能小，即坯料直径尽量接近挤压凸模直径。在实际应用中，放料间隙单边在0.25mm时，经润滑后的坯料即可顺利放入凹模孔。考虑到原始棒料直径规格可能不尽合适，故可适当放宽放料间隙，但最大不宜超过单边0.5mm。由此可给出所需坯料直径计算 式中：d-坯料直径 D-挤压凸模直径 -磷.肥皂膜厚度 式中常量尽量选取接近0.5mm的数值。c.分流仓设置准则 由于坯料存在下料重量误差，为保证充满，下料时必须控制重量下限，而让多余的材料（一般不超过坯料重量的0.5%）进入分流仓。分流仓的位置必须满足下述条件：分流仓位置必须设置在模腔最后充满处，而且是后续机加工时可以去除或不去除但不影响使用的位置。如果不是这样，前者分流仓先被充填，则锻件最后充满处将“缺肉”；后者分流余料留在锻件上不合乎要求。十字轴挤压成形最后充满处是轴颈端部，余料仓设在此处,在后续机加工时去除，如图4所示。 图4. 十字轴锻件余料仓设置 由于有些锻造设备一般没有上顶出，只有下顶料机构，因此对于上下对称的锻件要保证留在下模内，就必须增大锻件和下凹模的摩擦力，为此在十字轴中间球台外围上保留一小段长1-2mm的直径，使其加工在下凹模型腔上，这样锻件就能可靠留在下模内，由下顶出机构顺利顶出模腔。如果设备有上顶料机构，则上下模腔完全对称。 V、金属变形过程分析 十字轴的变形可分四个阶段: 第一阶段：镦粗变形。坯料在双冲头对向挤压下首先镦粗，且充填型腔中部球体部位，直到接触到四个水平轴颈腔口为止。这个阶段属镦粗变形，挤压抗力不大。 第二阶段：径向挤压。随着冲头继续挤压，坯料金属大量流入轴颈腔内，直至金属前端碰到端部模壁为止。此阶段轴颈腔尚未完全充满，但挤压抗力显著增大。 第三阶段：水平镦挤。当金属碰到端部模壁后，冲头继续将球体部金属挤入轴颈，这样就形成了类似在水平方向的镦粗过程，直至轴颈被基本充满。此时挤压凸模行程已接近终点，锻件除轴颈端未充满外，其余部位均已充满。 第四阶段：充满分流。此时挤压凸模行程终了，金属充满轴颈棱角并排出多余金属进入分流仓，从而获得完全充满的锻件。图5. 三维数值模拟十字轴成形过程图6. 双向闭式模锻十字轴成形过程 图5、图6所示为三维数值模拟十字轴成形过程和双向闭式模锻十字轴实际成形过程。与前述四个阶段完全吻合。 IV、工艺力计算 在闭式精锻工艺中，其主要工艺参数为：上、下凹模之间在锻件挤压变形时产生的分模力（由此确定外界需提供的闭模力）和挤压凸模对坯料的挤压力，我们对万向节十字轴进行了挤压力和分模力计算，挤压力计算公式为： 经计算，十字轴在室温挤压成形时，其挤压力为：P挤=43.2（吨） 图5 所示为三维数值模拟所得十字轴双向闭塞锻造成形P-S曲线，从中可看出其最大挤压力为42.5吨。理论计算挤压力最大值与采用数值模拟所得最大挤压力相当接近。 图7.三维数值模拟所得十字轴双向闭塞锻造成形P-S曲线 分模力计算公式：而式中: -锻件水平面积 -挤压凸模横截面积 -分模力(KG) -单位分模力(kg/) 通过计算，万向节十字轴在室温下挤压成形时，最大分模力（即挤压终了阶段）Q分=94.4吨。 显然，分模力Q分的确定是模具设计所需的关键参数，也即模架装置中液压系统提供的闭模力Q闭，应能满足Q闭 Q分的条件。同时，选择成形设备吨位时，设备的公称压力应大于P挤+P分之和。 VII、闭塞锻造十字轴工艺优化(三维数值模拟)前述工艺方案确定了采用水平分模的方式闭塞挤压成形十字轴锻件。从成形原理来看，既可采用单向闭塞挤压成形，也可采用双向闭塞挤压成形。究竟采用那种方案最有利于成形，我们通过三维数值模拟软件DEFORM（3D）对金属坯料在变形过程中的流动情况进行分析，以确定最佳方案。图7单向冷闭塞挤压成形十字轴锻件流动过程 图7所示为单向冷闭塞挤压成形十字轴锻件其金属坯料在模腔内的流动过程。从图中可看出，在侧向挤压轴颈的过程中，以分模面为界，离挤压凸模越远的模腔金属流动较快，离挤压凸模越近的模腔，其金属流动最慢。这是由挤压凸模的运动方向和金属流动机理所决定的。所以单向挤压象十字轴这样以分模面完全对称的锻件，其金属在模腔内流动很不均匀，同时由于是单向挤压，金属从挤压筒向模腔流动的行程加大，增大了金属的变形程度，使其变形抗力增大，从而加速了模具的磨损，降低了模具的使用寿命。图7所示为单向挤压十字轴时的P-S曲线。从图中可看出最大挤压力51.6吨，大于双向挤压时的最大挤压力。 如果采用双向等速挤压金属坯料成形十字轴锻件，其金属在模腔内流动的情