车辆动力传输系统失效的两种情形通用联轴器失效和驱动轴失效外文翻译.docx
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车辆动力传输系统失效的两种情形通用联轴器失效和驱动轴失效外文翻译
附件1：
外文资料翻译译文
车辆动力传输系统失效的两种情形：
通用联轴器失效和驱动轴失效
摘要
车
辆的动力传输系统失效的通常原因有设计制造缺陷，维护不当，原料缺点,材料处理不当和使用者操作过失等。
在这一项研究中,对汽车动力传输系统的通用联轴器和驱动轴实行了破坏分析。
而在此同时，对每个部份也都做了光谱分析,金相分析，以及硬度测量等一些测试。
由于破坏部分通常出现在一定的具体压力条件下,压力分析也就必须被限制在同样的条件下来进行。
1.介绍
车辆运动所需的动力是由带轮引擎产生的力矩来提供。
它的传输系统依照车辆可能出现的前轮驱动，后轮驱动或四轮驱动几种不同类型而有不同的特征。
图1提供了前轮和后轮驱动车辆的动力传输系统。
由图可以看出这种系统的元件包括离合器，车桥，联轴器，驱动轴和轮带。
每种元件又具有与车辆商标相应的不同的设计特色。
Heyes对汽车的通常失效类型作了研究后发现传输系统元件失效引起的车辆损坏占所有的车辆损坏的1/4。
而这些元件的失效可能理由又包括制造和设计不当，维护不当,选用材料不当和使用者操作不当等。
图1.力量传输系统的元件:
（a）后轮驱动的引擎和（b）纵向的前轮驱动的前装引擎。
一些研究员在车辆动力传输系统的元件失效身上获悉了许多其它失效的情形。
Bayrakceken在早先的研究中分析了一个小齿轮轴失效的情况。
Kepceleretal则对一定压力条件下四轮驱动车辆的力量传输系统各元件的寿命进行了计算。
甚至还有一些研究员在驱动轴上做了更为深入的研究。
举例来说就是Vogwell对失效轮轴的研究并且通过数学方法分析计算获得轮轴上压力的情况。
Nanaware和Pable,也调查研究了拖拉机后轮轴上的疲劳裂缝。
他们发现轴上裂缝出现的主要原因是在轮轴上有循环压力存在，而且80–85%的失效轴是由热处理不当引起的，同时发现轮轴通常是在扁形钥孔形位置等一些应力集中的地方先遭到破坏。
另为还有人在其它可供选择的设计和某一推进轴产品做了一些研究，这种推进轴产品是后轮驱动车辆系统最大的元件。
与此同时，Leeetal提议使用铝点阵式合成物轴代替旧材料类型轴。
他们利用有限元技术对所倡议的轴模型进行了压力分析，发现使用这样一种单部份轴代替传统人二部份轴能够减少75%的重量和增加160%的转力矩传输能力。
除此之外，新型轴的抗腐蚀能力也较强。
在图1中我们能够看到,推进轴经由二个通用的节合点与齿轮箱和小齿轮轴相连接。
Hummel和Chassapis对通用关节的设计进行了研究。
驱动轴是用来将运动从起始部分传输到轮上，实现轴与车辆的同步运动。
扭转,弯曲和压力在轴的工作期间发生循环。
这些力引发一个正应力和剪应力的结合力，在轴的循环过程中始终存在。
一半的车桥位于最后的驱动器各边上,用来传送行进轮转动所需的转矩。
这里有三个不同的基本部件支撑着轮子在后面的轮轴包装上的毂，包括半-隔离的轮轴-毂，四分之三个隔离的轮轴毂,完全隔离的轮轴毂。
图2给出了一个半隔离滚珠轴承支撑轴。
图2.轴-轮子装配的设计类型。
另一方面，通用连接，由二个铸造的-钢轭状物或三脚架以对彼此正确的位置角度连接到相应的二根轴上。
通过三角架将这二个轭状物绞接在一起。
因为三角架的两悬梁处于正确角度,当仅通过一个或半个连接使整个部分运动时，在每次旋转期间将会出现四种极端位置。
这意谓着三脚架两悬梁在这两个极端位置前后摇摆而且在每次旋转过程中，输出轴转速都要增减循环两次。
由于在三脚架和轭状物之间存在令人不可避免的摩擦力必须通过在坚硬的三脚架和轴套之间装滚珠轴承使其减到最小。
在这一项研究中,对通用联轴器和汽车动力传输系统的一个驱动轴进行了破坏分析实验。
同时对每个小部分也实行了光谱分析,金相分析和硬度测量。
对于在各个失效的区段，压力也被限制在同样条件下。
图3.带有二个轭状物和一个三脚架的全世界通用联轴器外表。
2.动力传输系统的失效调查
2.1.情形1:
通用联轴器的疲劳失效
由于联轴器的一只悬臂被破坏导致所分析通用联轴器失效（图4）。
图5给出了所需的技术图形和所有尺寸。
初步观察发现是由于疲劳作用导致失效。
图4.失效的联轴器。
图5.所分析的失效联轴器的技术概要图。
通过光谱分析,将获得的化学合成物组成列于表1。
美国钢铁学会5046H是低合金材料的总称，对于这篇化学的报告具有最合适的权威。
典型的机械钢铁产品具有1750MPa的拉伸强度和1400MPa的屈服强度。
对于一些产品来讲，低碳合金钢是韧性和延展性的最佳组合。
低碳合金钢惯用于汽车和卡车制造业等需要高强度刚性和韧性部件的范围里，这种部件通常不能用简单的碳钢来制造。
低碳合金钢一些其他的典型应用是轴，轮轴，齿轮和弹簧等部件。
表1
联轴器材料与美国钢铁5046H的比较
Fe
C
Si
Mn
Cr
Mo
S
P
轭材料
97.91
0.50
0.18
0.92
0.34
0.044
0.035
0.0027
美国钢铁5046H
98.00
0.44–0.5
0.23
0.88
0.28
–
0.04
0.035
通用联轴器硬度测量采用Rockwell刻度。
它的三个不同位置平均硬度约为50.2HRA。
在图6中给出了金相微观构造。
从外形来看,微观构造中包含珠光体和铁素体。
而从硬度来看时,材料为了保持韧性就不要采用淬火。
空冷的结果，是完整的珠光体会排成整齐的列。
我们也可在放大后的形态学视图上发现围着珠光体的铁素体。
图6.通用联轴器材料的微观结构。
2.1.1.有限元分析
在失效区域实行了有限元压力分析并由此来决定压力分配和未来可能出现的设计改进。
ANSYS7.1/机械模数被用于整个的模型建立。
在几何学的模型建立之后,静态的压力分析可得出材料的机械特性（弹力率=205GPa,泊松比=0.29）。
图7给出了我们设想的立体模型，有限的元素网孔,失效联轴器和压力的比较分析结果。
在扭转瞬间作用到三角架连接位置的力矩是200Nm。
然而这一值的改变与汽车的行进速度和载重有关,在启动使这一值最大。
除此之外，联轴器本身500转/每分的旋转速度也因被考虑在内。
固体92型元素被用于有限元网孔的构成。
总体来说,这种材料有13,575种元素和24,201个网点。
图7.通用联轴器和失效的部件的有限元分析。
2.2.情形2:
驱动轴的疲劳失效
在图8中给出了一幅技术示意图和所分析失效轴的照片。
在轴承和法兰之间发生了彻底的破坏（图9）。
图8.技术示意图和所分析失效轴的照片
图9.断裂驱动轴
光谱分析结果表明这种材料是一种型号为94B30H的低锰合金钢（表2）。
然而，虽然普通的含碳钢价格相对便宜，但是它们同样具有强度低，较弱的深层可淬性，较差的抗腐蚀性和抗氧化性等缺陷。
为了解决普通含碳钢的这些缺陷，合金钢加入了合金元素来改善它们的特性。
大体上合金钢的费用要比普通碳钢的要高,但是对于许多应用上来讲它们是能满足工程需求的唯一材料。
用来制造合金的主要合金元素有锰，镍，铬，钼和钨。
有时加入的其他一些元素包括钒，钴，硼，铜，铝，铅，钛和铌。
与传统的淬火调和钢相比,硼钢有包括较好的可锻性等一系列优点。
正因此，硼钢应用于很多领域，如作为高强度的结构钢在当前情况下用于包括屏幕金属板,冲压工具，铲子，刀子，锯子刀,履带和农业机械等。
表2
轮轴材料的化学分析及相配的94B30H（wt%）
Fe
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
B
S
P
轴材料
98.21
0.32
0.20
0.81
0.31
0.14
0.059
0.0005
0.022
0.0027
美国钢铁94B30H
97.7–98.49
0.27–0.33
0.15–0.30
0.70–1.05
0.25–0.55
0.25–0.65
0.08–0.15
0.0005–0.003
0.040
0.035
为了测定被应用于轴材料的淬水处理，在交叉的区段上实行了硬度测量。
测量伴随一个1毫米步进器一起从表面到核心顺序进行。
在表3中给出了实验结果。
这些硬度值只能通过表面淬水技术得到。
目前情形,这种技术只是火焰变硬法之一。
我们注意到通过这种处理得到的钢材料外部的表面硬度比内部硬度低10%左右。
这一种情形的原因可能是由于过度的加热使碳容量减少。
直到3毫米厚时，硬度才达到44HRC而内部的区域坚硬值最低。
94B30H钢（在205°C用油淬火）的抗拉强度和屈服强度值是1700MPa和1550MPa。
表3.
在交叉区段上的硬度测量的区域和对应值
距离表面的距离（毫米）
表面
1
2
3
4
5
6
7
8
坚硬度（HRC）
46
50
49.9
44.4
30.4
22.6
16.6
14.4
12
表面区域碳容量的渐减在金相学研究中得到证实。
图10表明了从轴的表面（图10a）到中心（图10c）的交叉区段的微细构造。
我们很容易就能观察到微粒分界线，而且这显示出低碳容的微观构造。
结构由在好的颗粒之中的粗糙颗粒的铁素体组成。
图10b显示出变硬区域的微细构造，结构有铁素体和马氏体构成。
在表面被作用高温的效果之下，开始转为柔性的马氏体。
图10c在另一方面显示出交叉的区段中心的微细构造。
结构显示在这情况其中包含的有珠光体和铁素体。
图10.驱动轴的微结构（a:
表面;b:
变硬区域;c:
中心）.
以上是破坏表面观察到的疲劳信号。
图11显示了破坏表面,是从美国金属学会手册上得到的压力分析结果和金属断面的微观结构。
手册认为疲劳过程是低压力和应力集中下的弯曲过程。
理论上的应力集中系数在这情况是1.9。
疲劳裂缝起于表面的形状多样点，尤其是交叉的区段等一系列应力高度集中点。
图11.破碎表面
2.2.1.有限元分析
人们通过一项压力分析方案来测定在失效区段的压力分配并且通过有限元分析技术来获得可能的设计改进。
在合理的分析几何建模之后，就像分析联轴器一样，人们做了一项静态压力分析。
负载是侧面弯曲挠度轮子（100个nm），它承担着整个的汽车重量（2500N）的和让车轮转动的扭矩的1/4。
然而，负荷在真正的道路上有很大的变数。
几何学的模型，有限元模型和压力分析结果在图12给出。
图12.有限元模型和压力分析结果。
3.结论
通过对联轴器和驱动轴的分析，下列的几点可以作为结论:
.失效的两者都是发生在疲劳过程中。
.裂缝开始的联轴器位置与最高的压力集中点对应。
为了防止稍后的疲劳破坏在连接的设计方面应做一些必要的修正。
.驱动轴的失效似乎是由不当的热处理引起，然而失效部分和裂缝起始位置也与高压区域保持一致。
附件2：
外文资料翻译原文
Twocasesoffailureinthepowertransmissionsystemon
vehicles:
Auniversaljointyokeanda
drive
shaft
H.Bayrakceken,S.Tasgetirenandİ.Yavuz
AfyonKocatepeUniversity,TechnicalEducationFaculty,Afyon03200,Turkey
ChainsforPowerTransmissionandMaterialHanding
Abstract
P
owertransmission
system
ofvehiclesconsistseveralcomponentswhichsometimesencounterunfortunatefailures.Somecommonreasonsforthefailuresmaybemanufacturinganddesignfaults,maintenancefaultsrawmaterialfaults,materialprocessingfaultsaswellastheuseroriginatedfaults.Inthisstudy,fractureanalysisofauniversaljointyokeanda
drive
shaftofanautomobilepowertransmission
system
arecarriedout.Spectroscopicanalyses,metallographicanalysesandhardnessmeasurementsarecarriedoutforeachpart.Forthedeterminationofstressconditionsatthefailedsection,stressanalysesarealsocarriedoutbythefiniteelementmethod.
1.Introduction
Themovementofvehiclescanbeprovidedbytransferringthetorqueproducedbyenginestotiresaftersomemodification.Thetransferandmodificationsystemofvehiclesiscalledaspowertransmissionsystemandhavedifferentconstructivefeaturesaccordingtothevehicle’sdrivingtypewhichcanbefrontwheeldrive,rearwheeldriveorfourwheeldrive.Fig.1giveselementsofafrontwheelandarearwheeldrivepowertransmissionsystem.Theelementsofthesystemincludeclutch,transmissionsystem,propellershaft,joints,differential,driveshaftsandtires.Eachelementhasmanydifferentdesignandconstructionpropertiesdependingonthebrandsofvehicles.Heyesstudiedthecommonfailuretypesinautomobilesandrevealedthatthefailuresinthetransmissionsystemelementscover1/4ofalltheautomobilefailures.Somecommonreasonsforthefailuresmaybemanufacturinganddesignfaults,maintenancefaults,rawmaterialfaultsaswellastheuseroriginatedfaults.
Fig.1. Elementsofpowertransmissionsystem:
（a）Front-mountedenginerear-wheeldriveand（b）longitudinalfront-mountedenginefront-wheeldrive.
Severalresearchersstudiedonthefailuresoftheelementsofpowertransmissionsystemastherearemanycasesofthefailures.Bayrakcekenanalyzedthefailureofapinionshaftofadifferentialinapreviousstudy.Kepceleretal.studiedthestressandlifecalculationoftheelementsofpowertransmissionsystemofafourwheeldrivevehicle
Someresearchersstudiedonthedriveshafts.AmongtheseVogwell,carriedoutastudyonafailedaxleandobtainedthestressesontheaxlebynumericalanalysistechnique.NanawareandPable,investigatedthefatiguecracksontherearaxleofatractor.Themainreasonfortheobservedcracksontheaxeswasthecyclicstressesoccurredontheaxle.Heattreatmenterrorswereobservedon80–85%offailedaxles.Theaxlesweregenerallyfracturedatkeywaylocations.
Somestudiesforalternativedesignandproductionofpropellershaftwhichisthebiggestelementofthesystemofrearwheeldrivevehiclesarecarriedout.Leeetal.proposedanaluminummatrixcompositeshaft.Theycarriedoutsomestressanalysisofproposedshaftbyfiniteelementtechnique.Byusingthissinglepartshaftinsteadoftheconventionaltwopartshafthasgivena75%weightreductionand160%increaseoftorquetransmissioncapacity.Inaddition,thenovelshafthaslowerinfluenceofcorrosiveenvironment.
AscanbeseeninFig.1,thepropellershaftisconnectedtogearboxandpinionshaftofthedifferentialviatwouniversaljoints.HummelandChassapisresearchedonthedesignoftheuniversaljoints.Theyhavegivensomesuggestionsontheconfigurationdesignandoptimizationofuniversaljointswithmanufacturingtolerances.
Thedriveshaftsareusedtotransmitthemotionfromdifferentialtothewheels.Theshaftsworkwiththevehiclesmotion.Torsional,bendingandnormalforcesoccurduringtheworkingoftheshaft.Theforcescauseacombinationofnormalandshearstresseswhichappliedcyclicallyontheshaft.Thearrangementsforsupportingtheroadwheelsonliveaxlesandprovidingthedrivingtractioninvolveusinganaxlehubmountedontotheaxlecasingandsupportedbyballorrollerbearings.Axlehalfshaftsaresituatedoneachsideofthefinaldrive,toconveymotiontotheroadwheels.Therearebasicallythreedifferentmethodsofsupportingaxlewheelhubsontherearaxlecasing.Thesearesemi-floatingaxle-hub,threequarterfloatingaxlehub,fullyfloatingaxlehub.Fig.2givesasemifloatingball-racebearingaxle.
Fig.2. Adesigntypeofshaft-wheelassembly.
Theuniversaljoint,ontheotherhand,consistsoftwoforged-steelyokesorforksjoinedtothetwoshaftsbeingcoupledandsituatedatrightanglestoeachother.Aspiderhingesthesetwoyokestogether.Sincethearmsofthespiderareatrightangles,therewillbefourextremepositionsduringeachrevolutionwhentheentireangularmovementisbeingtakenbyonlyonehalfofthejoint.Thismeansthatthe
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