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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。 （图片） 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0.1～0.4mm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2％～5％，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70～80℃，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。
万向节总成设计改进
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。（图片）
图2 改进前后应力分布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3(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。（图片）
图3 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3.2μm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0.10～0.15mm调整为0.15～0.25mm，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-30～120℃，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-30～200℃，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。
7/24/2008
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