姚汉波 张颖 林奇 张大鹏（泛亚汽车技术中心）

传动轴是汽车传动系统中一个重要组成部件。汽车发动机的动力，最后是依靠传动轴传递到车轮的。当在急加速、急减速以及颠簸路面时，传动轴接口将承受冲击性载荷和交变载荷，所以导致传动轴损坏最重要或关键的载荷形式也多为交变载荷，实际失效的形式也多为疲劳损坏。文中利用有限元仿真方法对某车型的传动轴接口进行应力分析，并结合台架试验对传动轴的疲劳失效模式进行了研究。用稳健性试验设计方法[1]，对影响传动轴疲劳特性的相关因素进行分析，找出敏感因素，有针对性地通过相关措施大幅度改善了该车传动轴的抗高扭疲劳强度，提高了传动轴的可靠性。

1 传动轴六西格玛稳健性设计

1.1 六西格玛稳健性设计方法概述

六西格玛稳健性设计[2]最初的涵义建立在统计学的正态分布基础上，从统计学概念来讲，六西格玛被定义为6倍的标准差，并考虑了1.5倍的浮动漂移，要求每百万个产品中的机会缺陷数不多于3.4个，即保证成功几率为99.999 7%。六西格玛稳健性设计注重产品的稳健性，按照合理的流程，运用科学的方法，准确理解和把握客户需求。对产品/流程本身进行稳健性设计，使得产品/流程在低成本下实现稳健性质量水平，同时使产品/流程本身具有抵抗各种噪声的能力，即便出现环境或制造波动，产品仍能以较高水平满足客户的需求。尤其符合汽车这种使用年限长、零部件多而且结构复杂的终端产品的设计理念。因此，在汽车整车设计和零部件设计开发中被广泛使用。

1.2 传动轴抗扭疲劳强度评价指标

在对传动轴的疲劳试验过程中，一般都是通过对总成的疲劳性能试验和整车耐久试验来反映传动轴的抗疲劳强度性能。而总成的疲劳性能试验主要分为高周低扭试验、中周中扭试验和低周高扭试验。整车耐久试验是作为验证的手段，不在设计中考虑。总成疲劳试验的时间周期短和规范较苛刻，在设计中作为考核抗疲劳性能的主要指标。针对本车的传动轴，在对其进行静扭试验及高、中、低扭试验时发现，静扭试验、中扭试验与低扭试验都达到了试验要求。但在进行高扭试验中发现2处异常点：1）循环疲劳次数（1 369次）远没有达到试验要求（3 330次）；2）在高载的情况下，断裂位置全部都在内节根部，高扭试验后样件出现的这种失效形式是不允许的。故针对该车传动轴，文章将高扭疲劳试验结果作为传动轴的抗扭疲劳强度的主要评价指标。高扭疲劳次数必须高于试验设计要求，且次数越多，抗高扭的疲劳性能越好。高扭疲劳试验台架，如图1所示。

1.3 设计变量及噪声因子

1.3.1 设计变量的确定

图2示出传动轴失效件像分析图。在对接口内节根部断口进行分析发现，如图2断口低倍形貌所示，中心为三角形部分为终断区，断裂源于边缘。通过图2断口边缘（起裂点）600倍形貌，可以发现断面上有条纹且表面有裂纹。零件承受的是弯曲或扭转或二者联合作用的载荷，零件表面应力最大，表面裂纹的存在，使零件在承受交变载荷时应力集中，从而加速试件的疲劳破坏。

为减少裂纹的产生，从2个方面进行考虑：1）从物理特性方面进行提高，把提高传动轴根部的表面粗糙度作为控制因子，通过提高表面加工粗糙度减少微裂纹的存在；2）从化学特性方面进行提高，把传动轴的表面热处理工艺作为控制因子。在对该传动轴进行热处理工艺分析时发现，传动轴根部一段区域上并没有进行表面淬火处理，导致金属的流线没有连续，出现金属流线断裂，容易造成应力集中[3]，如图3所示。

对传动轴接口进行静载的CAE仿真分析，发现传动轴接口的根部区为应力集中区。所以从几何方面进行分析，把提高接口根部的拐角半径作为控制因子，来提高其抗疲劳的能力。由此得出因子水平表，如表1所示。

表1 试验样件控制因子水平表

1.3.2 噪声因子的确定

噪声因子是指影响系统响应但不受控的因子。所有的系统分析中，都不能忽略噪声的影响，但越是稳健的系统对噪声就越不敏感。

针对传动轴，其使用环境非常恶劣，而且有一部分既没有进行涂层保护也没有油的润滑。水和氧气容易富集在传动轴接口的金属表面，通过电子迁移的腐蚀方式，以含水氧化铁的形式沉淀在传动轴接口表面。在应力作用下，腐蚀坑处产生应力集中，形成疲劳腐蚀裂源[4]，从而影响到传动轴的疲劳性能。虽然对这种腐蚀很难定量地进行描述，但必须要考虑到系统中。在试验中，考虑到代表性和可行性，使用传动轴试验中常用的48 h循环盐雾腐蚀试验为噪声因子。

传动轴的材料采用的都是特种合金钢，但里面的微量金属元素会对淬火区的淬透层深度产生一定的影响。考虑到这种影响很难定量地进行描述，结合工厂的传动轴样品库和相关专家的工作经验，把该传动轴接口的淬透层深度分为上极限区和下极限区。由此得出噪声因子水平表，如表2所示。

表2 试验样件噪声因子水平表

1.3.3 稳健评估试验表

根据稳健评估试验选择要求[5]，稳健评估试验表，如表3所示。为降低试验偶然性，提高试验参数的可靠性，特引入B10疲劳寿命计算方法[6]。它是指收集传动轴疲劳试验的失效循环次数，通过统计方法得到10%的传动轴疲劳失效的循环次数，用B10表征循环次数。如果传动轴工作到这个次数仍未失效（占90%左右），需要对其进行更换。在文章的样件试制中，每个水平都有4个样件进行试验，从而得出相应的B10循环次数作为最后的试验输入。

表3 试验样件稳健评估试验表

2 试验结果分析及优化方案

2.1 稳健评估试验结果分析

对于低周高扭疲劳试验算例[6]，若进行全面试验，总共需进行32×2×4=72次，而应用文中的因素及水平构建L4稳健评估表，用稳健评估试验方法寻求优化方案，只需进行32次低周高扭疲劳台架试验，试验结果，如表4所示。

表4 试验样件低周高扭试验分析结果

表4中，S/N为信号噪声比，可以简单描述为信号功率和噪声功率之比，可以相对地衡量系统的稳健性。在表4中可以看出，4#件稳健性最好，其次是2#件和3#件，1#件稳健性最差，远低于其他3类样件。

图4示出试验样件稳健评估试验分析结果。从图4b可以看出，对于抗低周高扭疲劳性能，控制因子（B）传动轴接口的整体热处理对性能影响最大，其次是控制因子（A）表面粗糙度，而控制因子（C）拐角倒圆半径对整个系统的影响非常小，故放弃对此因子的更改。

2.2 优化方案及改善效果

根据图4，优化方案选定控制因子A和B。对优化设计方案进行零件级验证，通过低周高扭疲劳试验，循环次数由原来的1 369次提高到7 494次，远超过设计要求的3 330次，优化方案达到预期效果。图5示出零件疲劳试验结果对比图。从图5可以看出，零件的断裂部位不在传动轴接口内节根部，而都在内节，这符合设计初衷，达到了优化效果。

3 结论

1）采用六西格玛稳健评估试验设计，结合失效分析与有限元仿真，对某车型传动轴的抗高扭疲劳强度进行研究，在保证分析结果的基础上尽可能地减少了试验次数，快速找出了对低周高扭疲劳强度敏感的因素，然后通过有针对性的措施改善该传动轴的抗高扭疲劳性能，并在随后的零件级试验中得到验证，将循环次数由原来的1 369次大幅度地提高到了7 494次，远超过设计要求的3 330次。

2）由于六西格玛稳健评估试验方法的应用，最终的优化方案通过更改工艺，实现了质量的零增加，而且很好地控制了单件成本增长。

3）对传动轴内节接口的设计有了进一步的认知，也为传动轴抗高扭疲劳的强度设计提供了正确的指导。