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1 of a of a AE AE is a to a by In a of a of of a 00 km of by of a in a As a a of of 2 1. he AE is a to a by is a by a 600 cc by is to a is to at to at on of in to a of is to on of to by 1,2]. 1 to of V to As to or is a of on 3,4]. or to 2,4–6]. 1. V to On of a is In a of a by of by of on 00 km of of 00 a of In an is in to of 3 2. he on of of to to 7] 0mm of V of As a in 0 EM s to of of up 200 up EM on on to in of of of CV E E a at as as of V 2 of of V on 4 V to On of a is 3. (a) on of to of A of is b) of of 5 3. 3a of to of a of of V in of a to 2,5,6] to a at to to of at mm of to of is in 3b. be to a of V 8]. 4 of An A 9] 4. of 6 4. of 4 EM as 5. at to at a at of of to a of to as 5a, 5] in 6 a of to a of to as 7. In it is to of et [3] to a to A 10] as 140 5. (a) to (b) at a (c) at (d) at of 7 6. (a) on to (b) a at of 7. of to (a) of of (b) 8 5. of is . on as 140 11]. a 4340 in a EM of of a 12,13]. No of of 8 of 9 6. he by of ) a on of at to in As no of in to a on a of 8 14]. It is to to of an by 340 in a 50 8C 0 in 00 8C h). on it on a in to It is to as in as 340 140 8. of (a) to (b) at In a 10 of ). C n P S i b l 140[11] - - 11 7. he in is to V as 9. It to a in of is in 3(a)) et [16]. of 140 at of of 665 by is to a 90 65% of 50 Nm at of V 17,18]. 665 is by of on of 7(a)) 3(a) b)). 9. on of of at of in 12 (on of 340, 15] 65 110 16 294 14% of 50% 13 8. on be ? of a 140 of 340 a on of as in a of ? of by a of at of of to on by ? at at at of by in 14 1] , , , . 2nd 2011. [2] Y, P, C. of in of J 008;8:75–80. [3] , . of of an J 013;13:601–6. [4] H. of 1998. p. 166–80. [5] D. of 002;2:65–9. [6] J, F, H. of a 007;14:573–8. [7] F. 1977. p. 33–63. [8] . 010. [9] . 014;20–2. [10] , . 140 1975;6:2133–41. [11] 2nd 1998. [12] 2nd 2000. [13] in 2nd 2001. [14] 8/ 15a – of [15] 340 J 999;87:198–206. [16] B, H, R, J, J, et 15 of of a J 002;37:565–83. [17] , , . of 014;74:42–57. [18] , , T. of in 996;197:197–205. 16 一種 方程式 賽車半軸的故障分析 摘要 ： 世界各地學(xué)生之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，根據(jù)汽車工程師學(xué)會(huì)（ 定的規(guī)則和規(guī)范，他們面臨著設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試小型 方程式 賽車的挑戰(zhàn)。 在目前的分析中，跑車傳動(dòng)系統(tǒng)半軸的過早失效發(fā)生在大約 100 公里的使用之后。 通過金相，化學(xué)和機(jī)械分析，斷面分析和有限元分析分析了斷裂成分。 結(jié)果表明，用 于半軸的合金鋼棒沒有遵循規(guī)格，結(jié)果降低強(qiáng)度并導(dǎo)致負(fù)載能力和耐疲勞性不足的材料。因此，斷裂過程是扭轉(zhuǎn)疲勞的匯合通過半軸的花鍵部分的裂紋擴(kuò)展和過載韌性斷裂。 關(guān)鍵詞 ： 半軸；過載斷裂；扭轉(zhuǎn)疲勞 17 1 背景 全球?qū)W生之間的一場(chǎng)比賽，他們面臨著汽車工程師協(xié)會(huì)（ 義的規(guī)則和規(guī)范的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試小型賽車的挑戰(zhàn)。原型是由 600托車發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的管狀結(jié)構(gòu)的后輪驅(qū)動(dòng)車。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過半軸傳遞到車輪，該半軸連接到內(nèi)端的差速聯(lián)軸器和外端的車輪。在半軸的兩端使用恒速（ 頭，以提供 一定程度的角位移。扭矩通過組件兩端的花鍵傳遞到半軸和從半軸傳遞。因此，傳動(dòng)軸受到由彎曲和扭矩引起的重大應(yīng)力 [1,2]。 圖 1 示出了組裝到差速器和車輪的半軸以及連接到車輪的外端和頭的細(xì)節(jié)。 由于花鍵軸通常呈波動(dòng)或振動(dòng)荷載，所以疲勞是導(dǎo)致失效的主要原因，特別是在花鍵根 [3,4]。 影響或過渡負(fù)載也可能導(dǎo)致過載故障 [2,4–6]。 圖 1 連接到車輪的半軸和 頭之間的連接 。 在軸的末端存在加工的花鍵。 在本研究中，通過顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)表征和斷層分析分析了半軸的故障。通過有限元（ 析確定 沿半軸的應(yīng)力分布。在賽車軌道測(cè)試期間，半軸在測(cè)試距離大約 100 公里后，當(dāng)該部件的預(yù)期賽車壽命達(dá)到 500 公里時(shí)，該車就會(huì)斷裂。當(dāng)汽車完成曲線并啟動(dòng)軌道的直線部分時(shí)發(fā)生斷裂。在這種情況下，引起增加的扭矩，以便增加轎廂的速度。 18 2 調(diào)查方法 收集失效的半軸用于目視分析。保護(hù)組件斷裂部位之間的斷裂面，避免損壞斷裂面[7]，并從花鍵切割成 10軸的另一部分卡在 頭內(nèi)，斷裂面在從接頭上取下時(shí)損壞。即使損壞，這部分組件被采取分析。作為清洗程序，在超聲攪拌下將斷裂面浸漬在醇中。通過具有二次電子和 20加速電壓的掃描電子顯微鏡（ 得斷層圖。在 析之前不久，將樣品浸入 液中以除去從斷裂表面氧化。 從半軸的剩余部分切割用于顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械表征和化學(xué)分析的樣品。金相制備包括用高達(dá) 1200目的砂紙研磨并用高達(dá) 1金剛石膏研磨。 用 通過 析二次電子模式。對(duì)于機(jī)械表征，對(duì)樣品進(jìn)行洛氏 C 硬度測(cè)量和拉伸試驗(yàn)。通過光學(xué)發(fā)射光譜法獲得化學(xué)分析。 應(yīng)用有限元（ 分析了半軸斷裂區(qū)周圍的應(yīng)力分布。使用 源軟件生產(chǎn)半軸， 頭和 組件的幾何形狀，并使用 用源 格生成器生成網(wǎng)格，使用具有線性近似的四面體單元。在發(fā)生故障的樣條區(qū)域中的網(wǎng)格被精煉?？紤]到接觸和摩擦應(yīng)力，以及考慮到半軸和 頭之間的接觸的潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)。圖 2 示出了半軸與輪側(cè)的 頭的連接的組件和細(xì)節(jié)。 19 圖 2 連接到車輪的半軸和 頭之間的連接。在軸的末端存在加工的花鍵。圖 3 （ a）半軸的花鍵部分?jǐn)嗔选? 斷裂與組件的縱軸垂直。 （ b）中示出了扭曲區(qū)域的詳細(xì)視圖，其中紅色箭頭指示花鍵線的頂部的對(duì) 準(zhǔn)。 20 3 結(jié)果與討論 圖 3a 顯示了兩個(gè)斷裂部分的側(cè)視圖。斷裂面主要垂直于軸的縱向軸線，中心部分呈現(xiàn)杯狀和錐形的形態(tài)。觀察從 頭移除的半軸部分的花鍵顯示塑性變形，導(dǎo)致花鍵扭曲。觀察到這種形態(tài)和與半軸縱向軸線垂直的斷裂面，并且與扭轉(zhuǎn)過載延性斷裂有關(guān) [2,5,6]。另外，在扭曲的區(qū)域，觀察到兩種不同的形態(tài)。 在斷裂面附近，花鍵從螺紋的頂部到底部完全扭曲。在斷裂約 5，花鍵的頂部與縱向軸線平行，而下部則跟隨先前變形區(qū)域的扭轉(zhuǎn)。這種形態(tài)在圖 1 中給出。 3B 的 扭轉(zhuǎn)角約為 208 度。雙扭轉(zhuǎn) 形態(tài)可能與半軸在 節(jié)內(nèi)具有軸向運(yùn)動(dòng)相對(duì)自由度的事實(shí)有關(guān) [8]. 圖 4 示出了斷裂面的橫向視圖。觀察到不規(guī)則和不透明的形態(tài)。 布朗 [9]觀察到類似的形態(tài)，并與扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂有關(guān)。 圖 4 斷面的橫向視圖。 21 4 斷口 對(duì)斷裂面的詳細(xì)觀察見圖 4。 通過 析獲得，如圖 5 所示。在特定點(diǎn)拍攝圖像：靠近邊緣 ;距離邊緣四分之一半半徑 ;中半徑 ;在斷裂面的中心的一部分表面由于摩擦而損壞。然而，骨折的很大一部分是證明了保留和凹陷形態(tài)。細(xì)長(zhǎng)的凹坑靠近表面，如圖 5 所示。 5a 也被 5]觀察到，并與 該區(qū)域較大的剪切變形相關(guān)。另外，除了細(xì)長(zhǎng)的凹坑之外，還觀察到二次裂紋。圖 6 示出了接近斷裂面的花鍵的側(cè)視圖，顯示出幾個(gè)小的橫向裂紋和從花鍵根部發(fā)出的大的縱向裂紋。靠近裂縫的半軸的橫向觀察證實(shí)，從幾個(gè)花鍵根發(fā)出大的裂縫。此外，觀察到其他二次裂紋，如圖 1 所示。在同一圖中，可以看出，花鍵踏面的尖端磨損遠(yuǎn)離組件。 [3]也證明了從花鍵根部發(fā)出的裂紋，并將它們與由于扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞過程相關(guān)聯(lián)。在 140 鋼樣品的疲勞試驗(yàn)后， 10]也觀察到類似的形態(tài)。 圖 5 斷裂形態(tài)：（ a）靠近邊緣 ;（ b）距離邊緣四分之一半徑 ; （ c）半徑中半徑 ; （ d）在斷裂面的中心。 22 圖 6 （ a）在靠近邊緣的斷裂面上觀察到二次裂紋（黃色箭頭） ;（ b）具有強(qiáng)橫向裂紋的花鍵區(qū)域和花鍵根部的紅色箭頭的縱向裂紋。 圖 7 半軸接近斷裂面的橫向視圖：（ a）從花鍵的根部和花鍵的磨損（黃色箭頭）發(fā)出大的裂紋 ; （ b）在裂紋內(nèi)觀察到二次裂紋（紅色箭頭）。 23 5 化學(xué)分析和微結(jié)構(gòu)表征 半軸的化學(xué)分析見表 金被歸類為 140 鋼 [11]。 然而，該組件 的項(xiàng)目規(guī)格和強(qiáng)度要求被認(rèn)為是一種 4340 鋼在淬火和回火顯微結(jié)構(gòu)條件下。 通過半軸的橫截面的 微結(jié)構(gòu)顯示了貝氏體組織 [12,13]。 沒有觀察到花鍵螺紋的表面處理的跡象。圖 8 示出了半軸的顯微照片。 24 6 機(jī)械性能 通過硬度測(cè)量（ ）和拉伸試驗(yàn)測(cè)量機(jī)械性能。 硬度測(cè)量點(diǎn)位于靠近邊緣和中心的區(qū)域的橫截面上，每個(gè)區(qū)域有三個(gè)測(cè)量值。表 2 列出了洛氏 C 硬度值。 由于沒有觀察到通過橫截面的顯微組織和硬度的顯著變化，為了提供關(guān)于有限元模擬的性質(zhì)的更精確的信息，對(duì)從棒的中心區(qū)域加工的試樣進(jìn) 行拉伸試驗(yàn)，并且基于 8 標(biāo)準(zhǔn) [14]。重要的是，由于拉伸試樣的可用材料的限制，只有一個(gè)樣品被評(píng)估，工程應(yīng)變速率為。表 3 顯示了通過拉伸試驗(yàn)確定的機(jī)械性能，并與 指定的 340 鋼在淬火和回火條件下（在 850℃奧氏體化 30 分鐘，在油中淬火并在 500℃回火 2 小時(shí)）。 基于觀察到的微觀結(jié)構(gòu)和所測(cè)量的機(jī)械性能，證明所使用的半軸處于正?；癄顟B(tài)，而規(guī)定的條件需要淬火和回火微觀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到所需的性能。 如上一節(jié)所述，重要的是，不僅顯微組織與必要的不同，如合金組成本身。 340 鋼比 140 鋼具有更高的強(qiáng)度和淬透性。圖 8 半軸微觀結(jié)構(gòu)：（ a